DE102023204077A1

DE102023204077A1 - Electric Machine

Info

Publication number: DE102023204077A1
Application number: DE102023204077.8A
Authority: DE
Inventors: Peter Neukirchner
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2023-05-03
Filing date: 2023-05-03
Publication date: 2024-11-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator, der sich entlang einer Längsachse erstreckt und dessen Mantelfläche in radialer Richtung zumindest abschnittsweise als Statorrücken ausgebildet ist, einem Rotor, der um die Längsachse drehbar innerhalb des Stators gelagert ist, und einer Kühleinrichtung, die mindestens einen Kanal zur Führung eines Kühlfluids und mindestens eine Austrittsöffnung aufweist. Um eine elektrische Maschine mit einer verbesserten Kühleinrichtung vorzuschlagen, die dabei in kostenschonender Weise eine verbesserte Kühlleistung aufweisen und somit die Effektivität der Kühlung einer elektrischen Maschine erhöhen soll, wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine Austrittsöffnung derart angeordnet und ausgerichtet ist, um ein aus der Austrittsöffnung austretendes Kühlfluid auf den Statorrücken zu leiten.The invention relates to an electrical machine with a stator that extends along a longitudinal axis and whose outer surface is designed in the radial direction at least in sections as a stator back, a rotor that is mounted within the stator so as to be rotatable about the longitudinal axis, and a cooling device that has at least one channel for guiding a cooling fluid and at least one outlet opening. In order to propose an electrical machine with an improved cooling device that should have improved cooling performance in a cost-effective manner and thus increase the effectiveness of the cooling of an electrical machine, it is proposed that the at least one outlet opening is arranged and aligned in such a way as to direct a cooling fluid emerging from the outlet opening onto the stator back.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator, der sich entlang einer Längsachse erstreckt und dessen Mantelfläche in radialer Richtung zumindest abschnittsweise als Statorrücken ausgebildet ist, einem Rotor, der um die Längsachse drehbar innerhalb des Stators gelagert ist, und einer Kühleinrichtung, die mindestens einen Kanal zur Führung eines Kühlfluids und mindestens eine Austrittsöffnung aufweist.The present invention relates to an electrical machine with a stator which extends along a longitudinal axis and whose outer surface is designed in the radial direction at least in sections as a stator back, a rotor which is mounted within the stator so as to be rotatable about the longitudinal axis, and a cooling device which has at least one channel for guiding a cooling fluid and at least one outlet opening.

Elektrische Maschinen der eingangs genannten Art sind regelmäßig Bestandteil von elektrischen Antriebsmodulen, die üblicherweise in Elektro- und/oder Hybridfahrzeugen verbaut werden. Der Stator und der Rotor weisen in Abhängigkeit der Bauart der elektrischen Maschine separate Wicklungen von elektrischen Stromleitern auf, so dass durch eine geschickte Beaufschlagung der Stromleiter mit elektrischem Strom Magnetfelder induziert werden, die sich durch ihre wechselnde Polarität derart anziehen und abstoßen, dass sich der Rotor dreht und kinetische Energie an eine Antriebswelle des Fahrzeugs abgeben kann. Beim bestimmungsgemäßen Einsatz einer solchen elektrischen Maschine wird durch die hohen elektrischen Ströme und durch die Rotation des Rotors Wärme erzeugt, die effektiv durch die Kühleinrichtung abgeführt werden muss, um einen dauerhaften Betrieb der elektrischen Maschine zu ermöglichen und um überhitzungsbedingte Beschädigungen der Bauteile zu vermeiden. Aus dem Stand der Technik sind hierfür verschiedene Kühleinrichtungen bekannt. Insbesondere sind bereits Kühleinrichtungen offenbart, die kühlfluidführende Kanäle mit Austrittsöffnungen aufweisen, die den Stator und/oder den Rotor unmittelbar mit Kühlfluid beaufschlagen. Hierfür wird zumeist Öl als Kühlfluid verwendet, das innerhalb eines Kühlfluidkreislaufs geführt wird.Electric machines of the type mentioned at the beginning are regularly part of electric drive modules that are usually installed in electric and/or hybrid vehicles. Depending on the design of the electric machine, the stator and the rotor have separate windings of electrical current conductors, so that by skilfully applying electric current to the current conductors, magnetic fields are induced that attract and repel each other due to their changing polarity in such a way that the rotor rotates and can release kinetic energy to a drive shaft of the vehicle. When such an electric machine is used as intended, heat is generated by the high electrical currents and by the rotation of the rotor, which must be effectively dissipated by the cooling device in order to enable continuous operation of the electric machine and to avoid damage to the components due to overheating. Various cooling devices are known for this purpose from the prior art. In particular, cooling devices have already been disclosed that have cooling fluid-carrying channels with outlet openings that directly supply the stator and/or the rotor with cooling fluid. For this purpose, oil is usually used as a cooling fluid, which is guided within a cooling fluid circuit.

Aus der CN 10951402 A ist eine gattungsgemäße elektrische Maschine bekannt, die einen Rotor und einen Stator aufweist. Der Stator besitzt ein Statorblechpaket, an dem Wickelköpfe angeordnet sind. Die Mantelfläche des Statorblechpakets ist bereichsweise als Statorrücken ausgestaltet, der vollflächig mit einem Gehäuse der elektrischen Maschine in Anlage ist. Das Gehäuse besitzt kühlfluidführende Kanäle und mehrere Spritzdüsen, die angeordnet und ausgerichtet sind, um Kühlfluid auf die Wickelköpfe des Stators zu leiten. Das Öl nimmt die Wärme des Stators auf, wodurch der Stator gekühlt wird.From the CN 10951402 A A generic electrical machine is known which has a rotor and a stator. The stator has a stator laminated core on which winding heads are arranged. The outer surface of the stator laminated core is designed in some areas as a stator back, which is in full contact with a housing of the electrical machine. The housing has cooling fluid-carrying channels and several spray nozzles which are arranged and aligned to direct cooling fluid onto the winding heads of the stator. The oil absorbs the heat of the stator, which cools the stator.

Eine vergleichbare elektrische Maschine ist in der US 2011/0298318 A1 offenbart. Auch hierin wird vorgeschlagen, die Wickelköpfe des Stators und den Rotor unmittelbar mit Kühlfluid zu beaufschlagen. Die Wickelköpfe sind dabei an einem Statorblechpaket angeordnet, dessen Statorrücken vollflächig am Gehäuse der elektrischen Maschine anliegt.A comparable electrical machine is in the US 2011/0298318 A1 Here, too, it is proposed to apply cooling fluid directly to the winding heads of the stator and the rotor. The winding heads are arranged on a stator laminated core, the stator back of which lies fully against the housing of the electrical machine.

Auch die US 2019/021570 A1 beschreibt eine ölbasierte Kühlung einer elektrischen Maschine, bei der die Wickelköpfe des Stators und der Rotor zur Abfuhr von Wärme mit Öl besprüht werden. Der Statorrücken des Stators liegt dabei vollflächig an einem Gehäuse an, das Kanäle für eine separate Wasserkühlung aufweist.The US 2019/021570 A1 describes an oil-based cooling of an electrical machine in which the winding heads of the stator and the rotor are sprayed with oil to dissipate heat. The back of the stator rests completely on a housing that has channels for separate water cooling.

Schließlich sind nach dem Stand der Technik auch Kühleinrichtungen bekannt, bei denen kühlfluidführende Kanäle unmittelbar im Stator ausgebildet sind. Hierbei sind neben ölbasierten Kühleinrichtungen auch wasserbasierte Kühleinrichtungen bekannt, weil die kühlfluidführenden Kanäle solcher Kühleinrichtungen frei von Austrittsöffnungen und Spritzdüsen sind und das hierin zirkulierende Wasser nicht in den Raum eindringt, in dem der Stator und der Rotor gelagert sind. Die Verwendung von wasserbasierten Kühleinrichtungen bei solchen elektrischen Maschinen kann Vorteile liefern, weil Wasser im Verhältnis zu Öl kostengünstiger ist und eine relativ hohe Wärmekapazität besitzt. Das Wasser wird dabei auch zur Kühlung der Batterie und zur Beheizung der Fahrzeugkabine verwendet.Finally, cooling devices are also known in the state of the art in which cooling fluid-carrying channels are formed directly in the stator. In addition to oil-based cooling devices, water-based cooling devices are also known because the cooling fluid-carrying channels of such cooling devices are free of outlet openings and spray nozzles and the water circulating in them does not penetrate into the space in which the stator and rotor are mounted. The use of water-based cooling devices in such electrical machines can provide advantages because water is less expensive than oil and has a relatively high heat capacity. The water is also used to cool the battery and to heat the vehicle cabin.

Die nach dem Stand der Technik bekannten elektrischen Maschinen sind insbesondere in Bezug auf die Effektivität der Kühleinrichtungen nachteilbehaftet. Mit den bekannten Kühleinrichtungen lassen sich nur limitierte Kühlleistungen erzielen, womit auch die abrufbaren Leistungen der elektrischen Maschinen eingeschränkt sind. Ferner sind bekannte Kühleinrichtungen in nachteiliger Weise kostenintensiv, insbesondere solche, bei denen kühlfluidführende Kanäle unmittelbar im Stator ausgebildet sind, weil sich aufgrund einer Vergrößerung des Außendurchmessers des Stators ein höherer Materialeinsatz des teuren Statormaterials ergibt. Kühleinrichtungen mit öl- und wasserführenden Kanälen sind darüber hinaus störanfällig bei etwaigen Leckagen, weshalb dort teure und aufwendige Dichtungen verbaut werden müssen.The electrical machines known from the state of the art have disadvantages, particularly with regard to the effectiveness of the cooling devices. The known cooling devices can only achieve limited cooling performance, which also limits the performance of the electrical machines. Furthermore, known cooling devices are disadvantageously expensive, especially those in which cooling fluid-carrying channels are formed directly in the stator, because an increase in the external diameter of the stator results in a higher use of the expensive stator material. Cooling devices with oil and water-carrying channels are also susceptible to failure in the event of any leaks, which is why expensive and complex seals have to be installed there.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine mit einer verbesserten Kühleinrichtung vorzuschlagen. Die Kühleinrichtung soll dabei in kostenschonender Weise eine verbesserte Kühlleistung aufweisen und somit die Effektivität der Kühlung einer elektrischen Maschine erhöhen.The object of the invention is to propose an electrical machine with an improved cooling device. The cooling device should have an improved cooling performance in a cost-effective manner and thus increase the effectiveness of the cooling of an electrical machine.

Diese Aufgabe wird durch die elektrische Maschine nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die mindestens eine Austrittsöffnung derart angeordnet und ausgerichtet ist, um ein aus der Austrittsöffnung austretendes Kühlfluid auf den Statorrücken zu leiten. Der Statorrücken weist üblicherweise eine große Fläche auf, die durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung unmittelbar mit Kühlfluid beaufschlagt wird. Hierdurch kann die Menge der abgeführten Wärme deutlich erhöht werden, womit die Effektivität der Kühleinrichtung im Vergleich zu herkömmlichen Kühleinrichtungen verbessert wird. Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung ist zudem kostenschonend herzurichten, was auf unterschiedliche Gründe zurückzuführen ist. Zunächst kann auf eine etwaige separate Wasserkühlung mit separaten wasserführenden Kanälen innerhalb des Gehäuses und/oder des Stators verzichtet werden. Ferner kann die Austrittsöffnung von einem Kanal abgezweigt werden, der ohnehin für den Transport von Kühlfluid vorgesehen und eingerichtet ist, weshalb die Erfindung mit einem geringen konstruktiven Aufwand und einem Minimum an Materialeinsatz umsetzbar ist.This object is achieved by the electrical machine according to claim 1. According to the invention, the at least one outlet opening is arranged and aligned in such a way as to direct a cooling fluid emerging from the outlet opening onto the stator back. The stator back usually has a large surface area, which is directly supplied with cooling fluid by the design according to the invention. This allows the amount of heat dissipated to be significantly increased, which improves the effectiveness of the cooling device compared to conventional cooling devices. The cooling device according to the invention can also be set up cost-effectively, which can be attributed to various reasons. Firstly, any separate water cooling with separate water-carrying channels within the housing and/or the stator can be dispensed with. Furthermore, the outlet opening can be branched off from a channel that is already intended and set up for the transport of cooling fluid, which is why the invention can be implemented with little construction effort and a minimum use of materials.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend und in den Unteransprüchen wiedergegeben.Preferred embodiments of the invention are set out below and in the subclaims.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stator ein Statorblechpaket aufweist, an dem in axialer Richtung mehrere Wickelköpfe angeordnet sind und an dessen Mantelfläche in radialer Richtung der Statorrücken ausgebildet ist. Zur Verbesserung der Kühlleistung ist mindestens eine Spritzdüse des Kanals vorgesehen, die angeordnet und ausgerichtet ist, um das aus der Spritzdüse austretende Kühlfluid auf die Wickelköpfe zu leiten.According to an advantageous development of the invention, the stator has a stator laminated core on which several winding heads are arranged in the axial direction and on whose lateral surface the stator back is formed in the radial direction. To improve the cooling performance, at least one spray nozzle of the channel is provided, which is arranged and aligned to direct the cooling fluid emerging from the spray nozzle onto the winding heads.

Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Stator und der Rotor innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses gelagert sind, wobei die Kanäle, die zur Führung des Kühlfluids eingerichtet sind, als Bohrungen, gegossene Kanäle und/oder Nuten innerhalb des Gehäuses ausgebildet sind. Der Statorrücken liegt dabei mittelbar oder unmittelbar am Gehäuse an, wodurch der Stator in radialer Richtung abgestützt ist. Das Gehäuse ist vorzugsweise mehrstückig ausgebildet und besitzt ein Motorgehäuse und einen Motorgehäusedeckel, die mittels einer Flanschverbindung miteinander verbunden sind.Furthermore, it is preferably provided that the stator and the rotor are mounted within a common housing, wherein the channels which are designed to guide the cooling fluid are designed as bores, cast channels and/or grooves within the housing. The stator back rests directly or indirectly on the housing, whereby the stator is supported in the radial direction. The housing is preferably designed in several parts and has a motor housing and a motor housing cover which are connected to one another by means of a flange connection.

Die Wärmemenge, die pro Zeiteinheit vom Stator abgeführt werden kann, ist insbesondere von der Menge an Kühlfluid abhängig, die pro Zeiteinheit auf den Statorrücken geleitet wird. Die Menge an abgegebenem Kühlfluid pro Zeiteinheit lässt sich insbesondere durch eine Druckerhöhung innerhalb des Kanals und/oder durch eine Vergrößerung der Fläche bewirken, die mit dem Kühlfluid beaufschlagt wird. Weil eine Druckerhöhung konstruktionsbedingt limitiert ist, ist zur Vergrößerung der mit Kühlfluid beaufschlagten Fläche des Statorrückens vorzugsweise vorgesehen, dass die innere Mantelfläche des Gehäuses mindestens eine Nut aufweist, die von Seitenflächen und einer Grundfläche begrenzt ist und in tangentialer Richtung den Statorrücken zumindest abschnittsweise umgreift, wobei jede Nut über mindestens einen Durchbruch mit einem Kanal verbunden ist. Zu Gunsten einer konstanten Kühlleistung ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Nut den Statorrücken vollständig umgreift, womit die Nut vorzugsweise als Ringnut ausgebildet ist.The amount of heat that can be dissipated from the stator per unit of time depends in particular on the amount of cooling fluid that is directed to the stator back per unit of time. The amount of cooling fluid released per unit of time can be brought about in particular by increasing the pressure within the channel and/or by increasing the area that is exposed to the cooling fluid. Because an increase in pressure is limited due to the design, in order to increase the area of the stator back exposed to the cooling fluid, it is preferably provided that the inner surface of the housing has at least one groove that is delimited by side surfaces and a base surface and that encloses the stator back at least in sections in the tangential direction, with each groove being connected to a channel via at least one opening. In order to ensure constant cooling performance, it is preferably provided that the groove completely encloses the stator back, whereby the groove is preferably designed as an annular groove.

Damit das Kühlfluid gerichtet und großflächig auf den Statorrücken geleitet wird, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Nut mindestens eine Einlage aufnimmt, wobei die Einlage eine Basisfläche aufweist, die mittels eines Abstandhalters von der Grundfläche der Nut auf Abstand gehalten wird. Hierdurch entsteht zwischen der Basisfläche der Einlage und der Grundfläche der Nut ein ring- oder teilringförmiger Hohlraum, der zur Weiterleitung und Verteilung des Kühlfluids ausgebildet ist. Die Einlage ist vorzugsweise zylinderförmig oder teilzylinderförmig ausgebildet. Dabei ist der Abstandhalter nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung als umlaufende Seitenwand der Einlage ausgebildet, die auf der Grundfläche der Nut aufliegt. In längsaxialer Richtung liegt die umlaufende Seitenwand vorzugsweise an den Seitenflächen der Nut an, so dass die Einlage in längsaxialer Richtung formschlüssig innerhalb der Nut gelagert ist. Alternativ kann der Abstandhalter auch als eine stufenförmige Ausbildung der Seitenfläche der Nut ausgestaltet sein, so dass die Basisfläche der Einlage unmittelbar auf einer Stufe der stufenförmigen Seitenfläche aufliegt.In order to direct the cooling fluid to the stator back and to direct it over a large area, it is preferably provided that the groove accommodates at least one insert, the insert having a base surface that is kept at a distance from the base surface of the groove by means of a spacer. This creates an annular or partially annular cavity between the base surface of the insert and the base surface of the groove, which is designed to pass on and distribute the cooling fluid. The insert is preferably cylindrical or partially cylindrical. According to an advantageous development of the invention, the spacer is designed as a circumferential side wall of the insert that rests on the base surface of the groove. In the longitudinal axial direction, the circumferential side wall preferably rests on the side surfaces of the groove, so that the insert is positively supported within the groove in the longitudinal axial direction. Alternatively, the spacer can also be designed as a step-shaped formation of the side surface of the groove, so that the base surface of the insert rests directly on a step of the stepped side surface.

Die Basisfläche weist nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mehrere Austrittsöffnungen auf, die insbesondere in tangentialer Richtung voneinander beabstandet sind. Die Austrittsöffnungen sind in Bezug auf ihre Anzahl und/oder Position und/oder Orientierung bedarfsgerecht angeordnet, insbesondere derart, dass sich eine optimale und in Umfangsrichtung gleichmäßige Beaufschlagung des Statorrückens mit Kühlfluid ergibt.According to an advantageous development of the invention, the base surface has a plurality of outlet openings, which are spaced apart from one another in particular in a tangential direction. The outlet openings are arranged as required in terms of their number and/or position and/or orientation, in particular in such a way that the stator back is supplied with cooling fluid in an optimal and circumferentially uniform manner.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Basisfläche mehrere Distanzstücke aufweist, die in Anlage zum Statorrücken sind und eine Beabstandung zwischen dem Statorrücken und der Basisfläche, insbesondere zwischen dem Statorrücken und den Austrittsöffnungen der Einlage, schaffen. Hierdurch kann das auf den Statorrücken geleitete Kühlfluid auf der Oberfläche des Statorrückens abfließen und dabei Wärme effektiv aufnehmen.According to a preferred embodiment of the invention, the base surface has several spacers which are in contact with the stator back and create a spacing between the stator back and the base surface, in particular between the stator back and the outlet openings of the insert. This allows the cooling fluid directed onto the stator back to flow off the surface of the stator back and effectively absorb heat.

Zu Gunsten einer hinreichenden Fixierung der Einlage in tangentialer Richtung ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Einlage Halteelemente aufweist, die in korrespondierende Ausnehmungen des Gehäuses eingreifen. Hierdurch wird eine Verschiebung insbesondere einer teilzylinderförmigen Einlage in tangentialer Richtung wirksam vermieden.In order to ensure adequate fixation of the insert in the tangential direction, it is preferably provided that the insert has holding elements that engage in corresponding recesses in the housing. This prevents displacement In particular, the application of a partially cylindrical insert in the tangential direction is effectively avoided.

Die Einlage ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung als gestanztes Stahlblech oder als Spritzgussteil aus Kunststoff ausgebildet, wodurch die Einlage kostenschonend herstellbar und hinreichend stabil für eine lange Standzeit der elektrischen Maschine ausgebildet ist.According to a preferred embodiment of the invention, the insert is designed as a stamped steel sheet or as an injection-molded part made of plastic, whereby the insert can be produced cost-effectively and is sufficiently stable for a long service life of the electrical machine.

Das beschriebene Antriebsmodul mit der elektrischen Maschine weist vorzugsweise eine reine Ölkühlung auf, so dass auf ein weiteres Kühlfluid, insbesondere Wasser, verzichtet werden kann. Dabei wird nicht nur die elektrische Maschine, sondern auch ein Pulswechselrichter des Antriebsmoduls mit Öl gekühlt. Der Verzicht auf ein weiteres Kühlmittel im Antriebsmodul spart Kosten durch den Entfall separater kühlmittelführender Teile, insbesondere des Kühlmantels, und der zugehörigen Dichtungen. Etwaige Leckagen aus dem Kühlmittelkreislauf sind darüber hinaus unschädlich, weil nur ein Kühlfluid im Antriebsmodul zirkuliert. Dichtungen können hierdurch deutlich vereinfacht werden. Wird im Fahrzeug auf die übliche wasserbasierte Kühleinrichtung der Batterien verzichtet und die Innenraumheizung durch ein luftgekühltes System ersetzt, kann das gesamte Fahrzeug ohne ein zusätzliches Kühlmittel dargestellt werden. Außerhalb des Antriebsmoduls entfallen die damit verbundenen Komponenten, insbesondere Schläuche, Schaltventile, Pumpen, Ausgleichsbehälter und Sensorik, was eine erhebliche Kostenersparnis bewirkt.The described drive module with the electric machine preferably has pure oil cooling, so that an additional cooling fluid, in particular water, can be dispensed with. Not only the electric machine, but also a pulse inverter of the drive module is cooled with oil. The dispensing with an additional coolant in the drive module saves costs by eliminating separate coolant-carrying parts, in particular the cooling jacket, and the associated seals. Any leaks from the coolant circuit are also harmless because only one cooling fluid circulates in the drive module. Seals can be made significantly simpler as a result. If the usual water-based cooling system for the batteries is dispensed with in the vehicle and the interior heating is replaced by an air-cooled system, the entire vehicle can be designed without an additional coolant. Outside the drive module, the associated components, in particular hoses, switching valves, pumps, expansion tanks and sensors, are dispensed with, which results in considerable cost savings.

Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1 eine perspektivische und teilgeschnittene Ansicht eines Antriebsmoduls,
2 ein Schaltbild der kühlfluidführenden Teile des Antriebsmoduls,
3 eine Detailansicht des Antriebsmoduls im Längsschnitt,
4 eine Querschnittsansicht des Gehäuses,
5 eine perspektivische und teilgeschnittene Detailansicht des Gehäuses,
6a perspektivische Ansichten einer Einlage,
6b eine Querschnittsansicht einer Einlage entlang der Querschnittsebenen A-A,
7 eine perspektivische Detailansicht der Einbaulage einer Einlage und
8 eine Detailansicht der Einbaulage der Einlage im Querschnitt.

A concrete embodiment of the invention is explained below using the figures. They show:

1 a perspective and partially sectioned view of a drive module,
2 a circuit diagram of the cooling fluid-carrying parts of the drive module,
3 a detailed view of the drive module in longitudinal section,
4 a cross-sectional view of the housing,
5 a perspective and partially cut detail view of the housing,
6a perspective views of an insert,
6b a cross-sectional view of an insert along the cross-sectional planes AA,
7 a perspective detailed view of the installation position of an insert and
8 a detailed view of the installation position of the insert in cross-section.

Die 1, 2 zeigen in unterschiedlichen Darstellungen eine elektrische Maschine 100 als Teil eines Antriebsmoduls 10. Die 3 - 8 zeigen jeweils Bestandteile bzw. Detailansichten hiervon. Identische oder ähnliche Bauteile sind jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.The 1 , 2 show in different representations an electric machine 100 as part of a drive module 10. The 3 - 8 show components or detailed views thereof. Identical or similar components are marked with the same reference symbols.

Die elektrische Maschine 100 besitzt einen Stator 11, der sich entlang einer Längsachse A erstreckt, die ein Zylinderkoordinatensystem aufspannt. Die vorliegenden Richtungsangaben axial, radial und tangential beziehen sich auf dieses Zylinderkoordinatensystem. Der Stator 11 besitzt ein Statorblechpaket 111, das in Bezug auf das Zylinderkoordinatensystem in radialer Richtung abschnittsweise als Statorrücken 12 ausgebildet ist. Darüber hinaus besitzt die elektrische Maschine 100 einen Rotor 13, der um die Längsachse A drehbar innerhalb des Stators 11 gelagert ist. Zur Kühlung des Antriebsmoduls 10, insbesondere zur Kühlung der elektrischen Maschine 100, ist eine Kühleinrichtung 14 angeordnet, die mehrere Kanäle 15 aufweist, in denen Öl als Kühlfluid geführt ist. Ferner weist die Kühleinrichtung 14 mehrere Austrittsöffnungen sowie mehrere Spritzdüsen aufweist, um unterschiedliche Bestandteile des Antriebsmoduls 10 mit Öl zu beaufschlagen. Die Kanäle 15 sind als Bohrungen oder Nuten innerhalb eines Gehäuses 17 eingebracht, das insbesondere die elektrische Maschine 100 aufnimmt und im Bereich der elektrischen Maschine 100 ein Motorgehäuse 171 und einen Motorgehäusedeckel 172 aufweist. Die Kanäle 15 bilden einen Ölkreislauf, der insbesondere in den 1 und 2 mit unbezifferten Pfeilen dargestellt ist und nachfolgend beschrieben wird. The electric machine 100 has a stator 11 that extends along a longitudinal axis A that spans a cylindrical coordinate system. The present direction specifications axial, radial and tangential refer to this cylindrical coordinate system. The stator 11 has a stator laminated core 111 that is designed in sections as a stator back 12 in the radial direction with respect to the cylindrical coordinate system. In addition, the electric machine 100 has a rotor 13 that is mounted inside the stator 11 so that it can rotate about the longitudinal axis A. To cool the drive module 10, in particular to cool the electric machine 100, a cooling device 14 is arranged that has a plurality of channels 15 in which oil is guided as a cooling fluid. The cooling device 14 also has a plurality of outlet openings and a plurality of spray nozzles in order to apply oil to different components of the drive module 10. The channels 15 are provided as bores or grooves within a housing 17, which in particular accommodates the electric machine 100 and has a motor housing 171 and a motor housing cover 172 in the area of the electric machine 100. The channels 15 form an oil circuit, which in particular in the 1 and 2 is shown with unnumbered arrows and is described below.

Sofern die beschriebenen Bestandteile in den 1 oder 2 nicht gezeigt sind, werden die jeweils darstellenden Figuren in Klammern angegeben.If the described components are in the 1 or 2 are not shown, the respective representing figures are given in brackets.

Das Antriebsmodul 10 besitzt einen Ölsumpf 18, in dem heißes Öl gesammelt wird. Mittels einer Ölpumpe 19 wird das heiße Öl aus dem Ölsumpf 18 gepumpt und durch einen Saugfilter 20 geführt. Das Öl wird zu einem Fahrzeug-Ölkühler 21 gefördert, wo das Öl Wärme abgibt. Alternativ zu einem Ölkühler 21 kann auch ein Wärmetauscher eingesetzt werden, so dass die Wärme im Fahrzeuginnenraum für eine Beheizung nutzbar ist. Das abgekühlte Öl durchströmt im weiteren Verlauf des Ölkreislaufes eine Kühlplatte eines Pulswechselrichters 23, wo das Öl Wärme von dort angeordneten Leistungshalbleitern aufnimmt. Ein Übergaberohr 48 führt das Öl in einen ersten Axialkanal 24 des Motorgehäuses 171, wo über einen Durchbruch ein erster Ringkanal 25 abzweigt, der mit einem zweiten und einem dritten Axialkanal 24 des Gehäuses 17 ölführend verbunden ist, wobei die Axialkanäle 24 innerhalb des Gehäuses 17 parallel zueinander und tangential voneinander beabstandet verlaufen. Der erste Ringkanal 25 ist mit einer ringförmigen Dichthülse 26 verschlossen, die tangential beabstandete Spitzdüsen 27 aufweist, um einen ersten Wickelkopf 281 des Stators 11 mit Öl zu benetzen, so dass Wärme vom ersten Wickelkopf 281 des Stators 11 abgeführt wird (3, 5).The drive module 10 has an oil sump 18 in which hot oil is collected. The hot oil is pumped out of the oil sump 18 by means of an oil pump 19 and passed through a suction filter 20. The oil is conveyed to a vehicle oil cooler 21, where the oil gives off heat. As an alternative to an oil cooler 21, a heat exchanger can also be used so that the heat in the vehicle interior can be used for heating. The cooled oil flows further along the oil circuit through a cooling plate of a pulse inverter 23, where the oil absorbs heat from power semiconductors arranged there. A transfer pipe 48 leads the oil into a first axial channel 24 of the motor housing 171, where a first ring channel 25 branches off via an opening, which is connected to a second and a third axial channel 24 of the housing 17 in an oil-conducting manner, wherein the axial channels 24 within the housing 17 are parallel to one another and tangential to one another. which run at a distance. The first ring channel 25 is closed with an annular sealing sleeve 26, which has tangentially spaced nozzles 27 in order to wet a first winding head 281 of the stator 11 with oil, so that heat is dissipated from the first winding head 281 of the stator 11 ( 3 , 5 ).

Im weiteren Verlauf der Axialkanäle 24 folgt je ein Durchbruch 30 zu einer Nut 31, die auf der inneren Mantelfläche des Gehäuses 17 ausgebildet ist und von Seitenflächen 32 und einer Grundfläche 33 begrenzt ist (3). Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Nut 31 als Ringnut ausgebildet und umgreift vollständig den Statorrücken 12. Damit sind alle Axialkanäle 24 mit derselben Nut 31 ölfördernd verbunden. Die jeweiligen Durchbrüche 30 zwischen den Axialkanälen 24 und der Nut 31 ergeben sich dadurch, dass die Nut 31 eine derart bemessene Nuttiefe aufweist, dass sich die Axialkanäle 24 und die Nut 31 schneiden.In the further course of the axial channels 24 there is an opening 30 to a groove 31 which is formed on the inner surface of the housing 17 and is delimited by side surfaces 32 and a base surface 33 ( 3 ). In the embodiment shown, the groove 31 is designed as an annular groove and completely surrounds the stator back 12. All axial channels 24 are thus connected to the same groove 31 in an oil-conveying manner. The respective openings 30 between the axial channels 24 and the groove 31 result from the fact that the groove 31 has a groove depth dimensioned such that the axial channels 24 and the groove 31 intersect.

Die Nut 31 nimmt im dargestellten Ausführungsbeispiel drei Einlagen 34 auf, die tangential voneinander beabstandet sind und unterschiedliche Sektoren des Statorrückens 12 umgreifen. Die Einlagen 34 sind teilzylinderförmig ausgestaltet und besitzen eine Basisfläche 35, die mittels eines Abstandhalters 36 in Form einer umlaufenden Seitenwand 361 von der Grundfläche 33 der Nut 31 auf Abstand gehalten ist. Zwischen den Basisflächen 35 der Einlagen 34 und der Grundfläche 33 der Nut 31 entstehen drei teilringförmige Hohlräume 37, die jeweils ölführend mit einem der Axialkanäle 24 verbunden sind. Auf der dem Statorrücken 12 zugewandten Seite der Basisflächen 35 sind mehrere Distanzstücke 38 ausgebildet, die eine Anlage zum Statorrücken 12 schaffen, so dass zwischen dem Statorrücken 12 und den Basisflächen 35 eine Beabstandung 40 besteht. Die Distanzstücke 38 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel als Rippen 381 ausgebildet, die axial ausgerichtet sind. Zwischen den Distanzstücken 38 sind in die Basisfläche 35 eine Vielzahl von Austrittsöffnungen 16 eingebracht, die derart angeordnet und ausgerichtet sind, um aus den Austrittsöffnungen 16 austretendes Öl auf den Statorrücken 12 zu leiten, so dass der Statorrücken 12 Wärme an das Öl abgeben kann. Aufgrund der Beabstandung 40 zwischen den Basisflächen 35 und dem Statorrücken 12 kann das Öl ungehindert in den Motorraum abfließen (3 - 7).In the embodiment shown, the groove 31 accommodates three inserts 34 that are tangentially spaced from one another and encompass different sectors of the stator back 12. The inserts 34 are partially cylindrical and have a base surface 35 that is kept at a distance from the base surface 33 of the groove 31 by means of a spacer 36 in the form of a circumferential side wall 361. Between the base surfaces 35 of the inserts 34 and the base surface 33 of the groove 31, three partially annular cavities 37 are created, each of which is connected to one of the axial channels 24 in an oil-conducting manner. On the side of the base surfaces 35 facing the stator back 12, several spacers 38 are formed, which create a contact with the stator back 12, so that there is a spacing 40 between the stator back 12 and the base surfaces 35. In the embodiment shown, the spacers 38 are designed as ribs 381 that are axially aligned. Between the spacers 38, a plurality of outlet openings 16 are introduced into the base surface 35, which are arranged and aligned in such a way as to direct oil emerging from the outlet openings 16 to the stator back 12, so that the stator back 12 can give off heat to the oil. Due to the spacing 40 between the base surfaces 35 and the stator back 12, the oil can flow unhindered into the engine compartment ( 3 - 7 ).

Der Stator 11 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel über drei Laschen 41 mit dem Gehäuse 17 verschraubt, die in korrespondierende Aufnahmen 42 des Gehäuses 17 eingreifen (4, 8). Zur tangentialen Fixierung der Einlagen 34 sind hieran an gegenüberliegenden Enden Halteelemente 43 in Form von Haken 431 ausgebildet, die in die Aufnahmen 42 des Gehäuses 17 eingreifen (4 - 8). Zur radialen Fixierung der Einlagen 34 innerhalb der Nut 31, was insbesondere bei der Montage relevant ist, sind Übermaßanpassungen (Klemmungen) oder (nicht dargestellte) Sicken vorgesehen, die in entsprechende Hinterschneidungen der Seitenflächen 33 der Nut 31 eingreifen, so dass die Einlagen 34 kraftschlüssig und/oder formschlüssig innerhalb der Nut 31 gelagert sind (7).In the embodiment shown, the stator 11 is screwed to the housing 17 via three tabs 41, which engage in corresponding receptacles 42 of the housing 17 ( 4 , 8 ). For the tangential fixation of the inserts 34, holding elements 43 in the form of hooks 431 are formed at opposite ends, which engage in the receptacles 42 of the housing 17 ( 4 - 8 ). For radial fixing of the inserts 34 within the groove 31, which is particularly relevant during assembly, oversize adjustments (clamps) or beads (not shown) are provided, which engage in corresponding undercuts of the side surfaces 33 of the groove 31, so that the inserts 34 are mounted in a force-fitting and/or form-fitting manner within the groove 31 ( 7 ).

Von dem Durchbruch 30 des ersten Axialkanals 24 zur Nut 31 ausgehend, geht der erste Axialkanal 24 vom Motorgehäuse 171 in den Motorgehäusedeckel 172 über, worin der erste Axialkanal 24 in einen Radialkanal 44 übergeht. Vom Radialkanal 44 zweigt eine Zuführung zu einem zweiten Ringkanal 25 ab, der zum Gehäuseinneren offen ist und von einer zweiten Dichthülse 26 verschlossen ist (3). Die Dichthülse 26 weist tangential beabstandete Spritzdüsen 27 auf, die angeordnet und ausgerichtet sind, um den zweiten Wickelkopf 282 des Stators 11 mit Öl zu beaufschlagen (5).Starting from the opening 30 of the first axial channel 24 to the groove 31, the first axial channel 24 passes from the motor housing 171 into the motor housing cover 172, in which the first axial channel 24 passes into a radial channel 44. A feed branching off from the radial channel 44 leads to a second annular channel 25, which is open to the interior of the housing and is closed by a second sealing sleeve 26 ( 3 ). The sealing sleeve 26 has tangentially spaced spray nozzles 27 which are arranged and aligned to apply oil to the second winding head 282 of the stator 11 ( 5 ).

Der Radialkanal 44 geht innerhalb des Motorgehäusedeckels 172 in einen Trichter 45 über, der das Öl in eine Rotorwelle 46 leitet. Von dort wird das Öl zur Kühlung durch den Rotor 13 geleitet und auf die Innenseite der Wickelköpfe 281, 282 abgeschleudert.The radial channel 44 merges into a funnel 45 within the motor housing cover 172, which guides the oil into a rotor shaft 46. From there, the oil is guided through the rotor 13 for cooling and is thrown onto the inside of the winding heads 281, 282.

Das Öl, das über die Spritzdüsen 27 der Dichthülsen 26 und die Austrittsöffnungen 16 der Einlagen 34 auf den Stator 11 und/oder den Rotor 13 aufgebracht wird, läuft durch die Gewichtskraft von der elektrischen Maschine 100 ab und wird über einen Rücklauf 47 zum Ölsumpf 18 geleitet, wo das heiße Öl gesammelt wird, und womit der Kühlfluidkreislauf geschlossen ist.The oil, which is applied to the stator 11 and/or the rotor 13 via the spray nozzles 27 of the sealing sleeves 26 and the outlet openings 16 of the inserts 34, runs off the electric machine 100 due to the force of gravity and is led via a return line 47 to the oil sump 18, where the hot oil is collected, thus closing the cooling fluid circuit.

Zur etwaigen Regulierung des Öldrucks innerhalb der Kanäle 15 sind Blenden 29 vorgesehen. Eine erste Blende 29 befindet sich in einem Kanal 15, der vor der ersten Ringnut 25 vom ersten Axialkanal 24 abzweigt und in den Ölsumpf 18 mündet. Eine zweite Blende 29 befindet sich in der Verbindung zwischen dem Radialkanal 44 und der Rotorwelle 46.Orifices 29 are provided for the possible regulation of the oil pressure within the channels 15. A first orifice 29 is located in a channel 15 that branches off from the first axial channel 24 in front of the first annular groove 25 and opens into the oil sump 18. A second orifice 29 is located in the connection between the radial channel 44 and the rotor shaft 46.

Mit dem zirkulierenden Öl können nicht nur das Antriebsmodul 10 und die elektrische Maschine 100 gekühlt werden, sondern es können weitere Komponenten 22 geschmiert werden, wie beispielsweise der Radsatz und/oder Lager.The circulating oil can not only be used to cool the drive module 10 and the electric machine 100, but can also be used to lubricate other components 22, such as the wheel set and/or bearings.

Bezugszeichenlistelist of reference symbols

100100: elektrische Maschineelectric machine
1010: Antriebsmoduldrive module
1111: Statorstator
1212: Statorrückenstator back
1313: Rotorrotor
1414: Kühleinrichtungcooling device
1515: Kanalchannel
1616: Austrittsöffnungoutlet opening
1717: GehäuseHousing
171171: Motorgehäuseengine housing
172172: Motorgehäusedeckelengine housing cover
1818: Ölsumpfoil sump
1919: Ölpumpeoil pump
2020: Saugfiltersuction filter
2121: Ölkühleroil cooler
2222: Komponentencomponents
2323: Pulswechselrichterpulse inverter
2424: Axialkanalaxial channel
2525: Ringkanalring canal
2626: Dichthülsesealing sleeve
2727: Spritzdüsespray nozzle
281281: erster Wickelkopffirst winding head
282282: zweiter Wickelkopfsecond winding head
2929: Blendeaperture
3030: Durchbruchbreakthrough
3131: NutNut
3232: Seitenflächeside surface
3333: Grundflächefloor space
3434: Einlageinsert
3535: Basisflächebase area
3636: Abstandhalterspacers
361361: Seitenwandside wall
3737: Hohlraumcavity
3838: Distanzstückspacer
381381: Ripperib
4040: Beabstandungspacing
4141: Laschetab
4242: AufnahmeRecording
4343: Halteelementholding element
431431: HakenHook
4444: Radialkanalradial canal
4545: Trichterfunnel
4646: Rotorwellerotor shaft
4747: Rücklaufreturn
4848: Übergaberohrtransfer pipe
AA: Längsachselongitudinal axis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

CN 10951402 A [0003]
US 2011/0298318 A1 [0004]
US 2019021570 A1 [0005]

Claims

Electric machine (100) with a stator (11) which extends along a longitudinal axis (A) and whose outer surface is designed in the radial direction at least in sections as a stator back (12), a rotor (13) which is mounted within the stator (11) so as to be rotatable about the longitudinal axis (A), and a cooling device (14) which has at least one channel (15) for guiding a cooling fluid and at least one outlet opening (16), characterized in that the at least one outlet opening (16) is arranged and aligned in such a way as to guide a cooling fluid emerging from the outlet opening (16) onto the stator back (12).

Electrical Machine (100) after claim 1 , characterized in that the stator (11) has a stator laminated core (111) on which a plurality of winding heads (281, 282) are arranged in the axial direction and on whose lateral surface the stator back (12) is formed in the radial direction.

Electric machine (100) according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that the stator (11) and the rotor (13) are mounted within a common housing (17), wherein the channels (15) which are designed to guide the cooling fluid are designed as bores, cast channels and/or grooves within the housing (17).

Electric machine (100) according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the inner circumferential surface of the housing (17) has at least one groove (31) which is delimited by side surfaces (32) and a base surface (33) and at least partially surrounds the stator back (12) in the tangential direction, wherein each groove (31) is connected to a channel (15) via at least one opening (30).

Electrical Machine (100) after claim 4 , characterized in that the groove (31) receives at least one insert (34), wherein the insert (34) has a base surface (35) which is kept at a distance from the base surface (33) of the groove (31) by means of a spacer (36).

Electrical Machine (100) after claim 5 , characterized in that the spacer (36) is designed as a circumferential side wall (361) of the insert (34), which rests on the base surface (33) of the groove (31).

Electric machine (100) according to one of the Claims 5 or 6 , characterized in that the base surface (35) has a plurality of outlet openings (16) which are preferably tangentially spaced from one another.

Electric machine (100) according to one of the Claims 5 until 7 , characterized in that the base surface (35) has a plurality of spacers (38) which are in contact with the stator back (12) and create a spacing between the stator back (12) and the base surface (35), in particular between the stator back (12) and the outlet openings (16) of the insert (34).

Electric machine (100) according to one of the Claims 5 until 8 , characterized in that the insert (34) has holding elements (43) for support in the tangential direction, which engage in corresponding receptacles (42) of the housing (17).

Electric machine (100) according to one of the Claims 5 until 9 , characterized in that the insert (34) is designed as a stamped steel sheet or as an injection-molded part made of plastic.