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Die Erfindung betrifft ein Kühlmantelbauteil für ein Gehäuse einer elektrischen Maschine. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Gehäuse mit dem vorgenannten Kühlmantelbauteil sowie eine elektrische Maschine mit dem vorgenannten Gehäuse. Ein weiterer Anspruch ist auf ein Verfahren zur Herstellung des vorgenannten Kühlmantelbauteils gerichtet.
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Bei elektrischen Maschinen wird zur Leistungssteigerung beispielsweise ein Stator der elektrischen Maschine mit Flüssigkeiten gekühlt. Bei flüssigkeitsgekühlten elektrischen Maschinen sind unterschiedlichste Prinzipien und Ausführungsformen bekannt. Als Kühlmedium eignet sich beispielsweise Öl oder Wasser.
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Beispielsweise kann über einen Strangpressprofil der elektrischen Maschine eine Flüssigkeit durch axiale Kühlkanäle strömen, wobei ein Flüssigkeitsstrom eine Umlenkung in Lagerschilden der elektrischen Maschine oder an speziellen Umlenkplatten erfährt, welche außen an der elektrischen Maschine angebracht sein können. Die Umlenkung in den Lagerschilden kann durch eingegossene oder gebohrte Kanäle erfolgen. Die genannten Kanäle können alternativ zum Teil auch durch Rohre gebildet werden, welche in Gussteile eingegossen sind. Eine Abdichtung zu den Lagerschilden oder Umlenkplatten erfolgt typischerweise konstruktionsbedingt durch Flächendichtmittel, wie z.B. Flachdichtungen oder Fluide und gestaltet sich aus diesem Grund äußerst aufwendig.
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Eine weitere Möglichkeit, elektrische Maschinen zu kühlen, besteht darin, Kühlschlangen in ringförmig oder mäanderförmig angeordneten Nuten innerhalb des Stators einzulegen. Die Montage kann sich dabei jedoch sehr aufwendig gestalten und der Wärmeübergang kann problematisch sein. Ebenso ist der Einsatz von Kühlmanschetten bekannt, welche um das Gehäuse des Elektromotors gelegt werden, wobei jedoch die Herstellung der Manschetten sowie der mäßige Wärmeübergang vom Stator zur Manschette problematisch sein kann. So ist beispielsweise aus der
DE 197 49 108 C5 eine Kühlung für einen gehäuselosen Motor bekannt, in den eine Kühlschlange eingelegt wird. Weiterhin zeigt
DE 41 04 740 A1 2 aufwändige stabförmige Gehäuse, wobei eine Umlenkung der Flüssigkeit im Lagerschild erfolgt. Ferner sind elektrische Maschinen bekannt, z.B. aus der
DE 101 41 693 A1 , welche ein Gehäuse umfassen, innerhalb welchem ein Kühlkanal ausgebildet ist.
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Ein Sandkern bzw. ein Salzkern, oder allgemeiner auch ein Giesskern, wird in der Gießereitechnik zur Herstellung von Gussteilen als Platzhalter für Hohlräume in die Giessform eingesetzt. Die metallische Schmelze bildet die Bauteilform ab, während beispielsweise der Salzkern nach Erkalten des Bauteils wieder ausgespült wird. So entstehen nach dem Prinzip der verlorenen Form Hohlräume in Metallbauteilen, die beispielsweise einen Kühlkanal in einem Gehäuse einer elektrischen Maschine ausbilden können.
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Ein in einem Gehäuse einer elektrischen Maschine ausgebildeter Kühlkanal kann mittels eines Kokillenguss-Verfahrens hergestellt werden. In einem solchen Kokillenguss-Verfahren können Sandkerne oder Salzkerne in eine Form eingelegt werden, um Hohlräume im Inneren der Gussteile zu fertigen. In einem alternativen Druckguss-Verfahren gelingt dies jedoch nur schwerlich, denn der verfahrensbedingt hohe Druck während des Druckguss-Verfahrens kann beim Einschießen einer Metallschmelze die Sandkerne bzw. Salzkerne zerstören.
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Aufgrund der hohen Prozesssicherheit wird für flüssigkeitsgekühlte Gehäuse von Elektromotoren vornehmlich der Niederdruck-Kokillenguss eingesetzt, wobei jedoch relativ hohe Herstellungskosten für ein Gehäuse entstehen. Unter Anderem fallen Kosten für die Kernherstellung und das Auswaschen der Kerne aus dem Gussteil an. Weiterhin ist es schwierig, mit dem Niederdruck-Kokillenguss dünnwandige Gussstücke zu fertigen, sodass hergestellte Gehäuse oftmals relativ viel Bauraum in Anspruch nehmen und ein hohes Gewicht aufweisen. Bekannte Druckguss-Verfahren hingegen können mit niedrigen Taktzeiten arbeiten, wodurch kostengünstig produziert werden kann. Des Weiteren eignet sich das Druckguss-Verfahren für relativ dünnwandige Bauteile.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein wenig Bauraum in Anspruch nehmendes Kühlmantelbauteil der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches leicht und kostengünstig herzustellen ist, eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt, wobei eine zuverlässige Abdichtung sowie eine effektive und effiziente Kühlung einer elektrischen Maschine ermöglicht wird.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Kühlmantelbauteil für ein Gehäuse einer elektrischen Maschine bereitgestellt. Das Kühlmantelbauteil umfasst einen rohrförmigen Kühlmantel, einen Zulaufstutzen und einen Abflussstutzen, wobei der rohrförmige Kühlmantel einen kreisringförmigen oder spiralförmigen Kühlkanal bildet. Der Zulaufstutzen und der Ablaufstutzen sind an entgegengesetzten Endabschnitten des rohrförmigen Kühlmantels angeordnet, sodass ein Kühlmittel dem Kühlkanal über den Zulaufstutzen zugeführt werden kann, durch den Kühlkanal geleitet werden kann und den Kühlkanal über den Ablaufstutzen wieder verlassen kann.
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Mit anderen Worten wird ein Kühlmantelbauteil für ein Gehäuse einer elektrischen Maschine bereitgestellt, wobei das Kühlmantelbauteil im Gehäuse einen Hohlraum abgrenzen kann, der kanalartig ist und der Durchführung eines Kühlfluids dient. Durch das erfindungsgemäße Kühlmantelbauteil kann ein Kühlkanal in einem Gehäuse einer elektrischen Maschine bereitgestellt werden, wobei das Gehäuse der elektrischen Maschine ohne verlorene Kerne insbesondere in einem Aluminiumdruckguss-Verfahren kostengünstig hergestellt werden kann. Das Kühlmantelbauteil kann dabei als Einlegeteil dienen, welches die Geometrie des Kühlkanals abbildet und eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt sowie eine gute Positionierbarkeit innerhalb einer Druckgussform zum Ausführen des Aluminiumdruckguss-Verfahrens gewährleistet. Das Kühlmantelbauteil kann hinsichtlich der Kosten besonders günstig ausfallen, da keine oder lediglich wenige Fügeprozesse wie beispielsweise Schweißen notwendig sind, um den Zulaufstutzen und den Ablaufstutzen für Kühlflüssigkeit an dem rohrförmigen Kühlmantel anzubringen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen dass der rohrförmige Kühlmantel, der Zulaufstutzen und der Ablaufstutzen gemeinsam einteilig ausgeführt sind. Mit anderen Worten ist das Kühlmantelbauteil einteilig ausgeführt, d.h. der rohrförmige Kühlmantel mit seinem Kühlkanal sowie der Zulaufstutzen und der Ablaufstutzen bilden ein einheitliches Bauteil. Die vorstehend beschriebene einteilige Ausführung ermöglicht, dass das Kühlmantelbauteil in einem einheitlichen Fertigungsvorgang hergestellt werden kann und nicht aus mehreren Teilen zusammengesetzt und montiert werden muss. Dadurch kann die Fertigung vereinfacht werden. Weiterhin kann das Risiko einer Fehlmontage reduziert werden. Durch den einheitlichen Fertigungsvorgang kann ferner vermieden werden, dass - wie im Stand der Technik vorgeschlagen - ein aufwendiger Kühlring mit Anschlussstücken für die Zuführung und Abführung des Kühlfluids gefertigt werden muss, welcher zusätzlich gegen das Gehäuse abgedichtet werden muss. Somit ermöglicht diese Ausführungsform auch, dass die Dichtigkeit der Kühlmantelanordnung durch das Umgießen des Einlegestücks bzw. des Mantelbauteils sehr hoch ist, da das Kühlmantelbauteil nach dem Druckgussprozess vollständig umschlossen bzw. eingefasst ist.
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Alternativ können der rohrförmige Kühlmantel, der Zulaufstutzen und der Ablaufstutzen als getrennte Bauteile ausgeführt sein. Gemäß dieser alternativen Ausführungsform stellt das Kühlmantelbauteil ein hybrides Bauteil dar, wobei der rohrförmige Kühlmantel insbesondere aus Kupfer bestehen kann, wohingegen der Zulaufstutzen und der Ablaufstutzen vorteilhafterweise aus Stahl oder Edelstahl bestehen können. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit sind für den rohrförmigen Kühlmantel, welcher den Kühlkanal ausbildet, insbesondere Kupfer oder Aluminium besonders gut geeignet. Für den Zulauf stutzen und den Ablauf stutzen sind wegen der erhöhten Festigkeit insbesondere Edelstahl oder Stahl besonders gut geeignet.
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Die Effizienz von Wärmeüberträgern wie von Kühlkörpern und Kühlelementen kann durch aktive Maßnahmen, wie der Beeinflussung der die Wärmeübertragung behindernden Grenzschicht oder durch passive Maßnahmen, wie etwa der Oberflächenvergrößerung des Kühlkanals bei gleichem Kanalquerschnitt und durch konturnahe Kühlkanäle gesteigert werden. Erreicht werden Leistungsverbesserungen der Wärmeabfuhr durch vergrößerte Wärmetauscher-Flächen und erhöhte Turbulenz.
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Der rohrförmige Kühlmantel ist seiner äußeren Form nach bevorzugt als ein Hohlzylinder realisiert. Insbesondere kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Kühlkanal einen langlochförmigen, einen rechteckigen, einen ovalen oder einen elliptischen Querschnitt aufweist. Besonders bevorzugt ist ferner ein Bereich, innerhalb welchem der Kühlkanal verläuft, in einer Umlaufrichtung um eine Hauptachse regelmäßig verteilt. Durch die Ausbildung des Kühlkanals in den vorstehend beschriebenen Querschnittsformen, wie sie insbesondere in einem Innenhochdruck-Umformverfahren leicht umzusetzen sind, erreicht man eine maximale Oberflächenvergrößerung der Kühlkanäle und damit eine Erhöhung der Wärmeübertragung durch Wärmeleitung.
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Wärmeübertragung durch Konvektion erfolgt durch Heranführung der kalten Moleküle einer Kühlflüssigkeit an eine Oberfläche. Bei diesem Prozess müssen ständig neue Moleküle nachgeführt werden, damit ein Wärmeaustausch erfolgen kann. Je lebhafter die Bewegung der Kühlflüssigkeit ist, umso größer ist auch die Wärmeübertragung durch Konvektion. Bei turbulenter Strömung ist der Wärmeübergang deutlich besser als bei laminarer Strömung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass der rohrförmige Kühlmantel mehrere Turbulatoren, z.B. rippenförmige Erhebungen, innerhalb des Kühlkanals bildet, wobei die Turbulatoren quer zur Strömungsrichtung des Kühlmittels innerhalb des Kühlkanals angeordnet sind. Durch die Turbulatoren bzw. die rippenförmigen Erhebungen kann einerseits eine Grenzschicht einer Kühlflüssigkeit, welche durch den Kühlkanal geleitet wird, wiederholt aufgerissen werden. Andererseits kann der Turbulenzgrad der Strömung der Kühlflüssigkeit erhöht werden, um durch einen erhöhten Impulsaustausch und einen erhöhten Energieaustausch den Wärmeübergang auf die Kühlflüssigkeit zu verbessern. Mit anderen Worten wird somit durch Auswahl einer geeigneten Geometrie von Turbulatoren bzw. rippenförmigen Erhebungen angestrebt, eine turbulente Strömung der Kühlflüssigkeit zu erreichen, um dadurch die Wärmeübertragung durch Konvektion erhöhen zu können.
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Insbesondere kann der Kühlmantel einen Metallbalg aufweisen. Der Metallbalg kann besonders flexibel und elastisch ausgestaltet sein und gleichzeitig die vorstehend beschriebenen Turbulatoren bzw. rippenförmigen Erhebungen innerhalb des Kühlkanals bilden. Bevorzugt erstreckt sich der Metallbalg über die gesamte Länge des rohrförmigen Kühlmantels.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Gehäuse für eine elektrische Maschine bereitgestellt. Das Gehäuse umfasst ein Kühlmantelbauteil gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei das Kühlmantelbauteil formschlüssig mit dem Gehäuse verbunden ist. Durch die formschlüssige Verbindung, welche insbesondere dadurch geschaffen werden kann, dass zunächst das Kühlmantelbauteil hergestellt wird, und anschließend das Gehäuse an das Kühlmantelbauteil angegossen wird, können der Fertigungsaufwand gesenkt und Bauteile zur Befestigung eingespart werden.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, wobei die elektrische Maschine ein Gehäuse gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst. Bei dem Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug, wie Auto, Bus oder Lastkraftwagen. Bezüglich weiteren Effekten, Vorteilen und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gehäuses und der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kühlmantelbauteil verwiesen.
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Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlmantelbauteils gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte Schneiden eines Rohrs auf eine Länge, um einen Kühlkanal mit einer vorgesehenen Länge herstellen zu können, und Innenhochdruck-Umformen des geschnittenen Rohrs, sodass der Kühlkanal mit einem vorgesehenen Querschnitt und mit einer vorgesehenen Länge entsteht.
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Das Innenhochdruck-Umformen (IHU), auch Hydroforming genannt, ist ein wirkmedienbasiertes Umformverfahren. Das Rohr (bereits gebogen oder in ungebogenem Zustand) wird dabei in eine Werkzeuggravur bzw. in ein formgebendes Werkzeug eingelegt. Anschließend wird das formgebende Werkzeug geschlossen. Es folgt ein Anfahren eines Dichtstempels oder zweier Dichtstempel an das Rohr und eine Befüllung mit einem Fluid. Innerhalb des Rohrs wird ein Innendruck durch das Fluid aufgebaut bzw. erhöht, wobei der/die Dichtstempel nachgeführt bzw. nachgeschoben wird/werden. Auf diese Weise wird das Rohr unter sehr hohem Druck in das formgebende Werkzeug expandiert, sodass eine vorgesehene Querschnittsgeometrie und Länge des rohrförmigen Kühlmantels und dadurch auch des Kühlkanals erreicht wird. Anschließend kann das formgebende Werkzeug geöffnet und das Kühlmantelbauteil mit Kühlkanal und Anschlussstutzen entnommen werden.
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Werkstoffe mit hohem Dehnvermögen, z.B. Edelstahl oder Kupfer, sind besonders gut für das Innenhochdruck-Umformen geeignet. Dahingegen eignen sich Werkstoffe mit relativ geringem Dehnvermögen, z.B. hochfester Stahl oder Aluminium, weniger für das Innenhochdruck-Umformen.
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Durch das Innenhochdruck-Umformen lassen sich mehrere mechanische Arbeitsschritte effizient zusammenfassen. So kann der Kühlkanal in einem Arbeitsschritt mit dem Zulaufstutzen und dem Ablaufstutzen gefertigt werden. Auch der vorstehend beschriebene Metallbalg im Bereich des Kühlkanals mit Turbulatoren bzw. rippenförmigen Erhöhungen zum Aufbrechen der Grenzschicht im Kühlkanal kann durch das Innenhochdruck-Umformen erzeugt werden. Der Metallbalg kann anschließend besonders einfach kreisringförmig oder spiralförmig in die Endform des Kühlkanals gebogen werden, und zwar in einer Umlaufrichtung um die Hauptachse. Der Einsatz des Innenhochdruck-Umformens ermöglicht somit die Einsparung von Einzelteilen durch eine Integration mehrerer Fertigungsschritte. Weiterhin sind weniger Fügeoperationen durch eine Kombination einzelner Bauteile notwendig, wodurch Montageoperationen und/oder Schweißoperationen entbehrlich sind. Ferner kann durch das Innenhochdruck-Umformen die Wandstärke bedarfsgerecht angepasst und ausgeformt werden, was eine Einsparung von Gewicht und Kosten ermöglicht. Außerdem wird eine Fertigung komplexer Geometrien ermöglicht, z.B. des Kühlkanals, des Zulaufstutzens, des Ablaufstutzens und der Turbulatoren.
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Das Rohr kann im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens entweder vor dem Schneiden um eine Hauptachse kreisringförmig oder spiralförmig verformt werden, oder nach dem Innenhochdruck-Umformen um die Hauptachse kreisringförmig oder spiralförmig verformt werden.
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Insbesondere kann vor/beim Innenhochdruck-Umformen der Zulaufstutzen und der Ablaufstutzen bzw. Vorprodukte davon auf das geschnittene Rohr aufgesetzt werden. Auf diese Weise kann im Zuge des Innenhochdruck-Umformens ein erster Fügeverband zwischen dem rohrförmigen Kühlmantel und dem Zulaufstutzen hergestellt werden. Weiterhin kann auf ähnliche Weise im Zuge des Innenhochdruck-Umformens ein zweiter Fügeverband zwischen dem rohrförmigen Kühlmantel und dem Ablaufstutzen hergestellt werden. Dabei wird der rohrförmige Kühlmantel mit dem aufgesetzten Zulaufstutzen einerseits und mit dem ebenfalls aufgesetzten Ablaufstutzen andererseits durch das Innenhochdruck-Umformen verbunden.
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Gemäß einer Ausführungsform schließt sich an das vorstehend beschriebene Herstellen des Kühlmantelbauteils ein Einlegen des Kühlmantelbauteils in ein Druckgusswerkzeug an. Danach erfolgt ein Druckgießen des Gehäuses an das Kühlmantelbauteil, sodass das Kühlmantelbauteil formschlüssig mit dem Gehäuse verbunden ist.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Gehäuses einer elektrischen Maschine, wobei das Gehäuse ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlmantelbauteils umfasst,
- 2 eine perspektivische Ansicht des Kühlmantelbauteils nach 1,
- 3 eine Seitenansicht des Kühlmantelbauteils nach 1,
- 4 eine vergrößerte Längsschnittdarstellung eines Zulaufstutzens des Kühlmantelbauteils nach 1,
- 5 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlmantelbauteils,
- 6 eine perspektivische Darstellung des Kühlmantelbauteils nach 5,
- 7 eine vergrößerte Seitenansicht eines Ablaufstutzens des Kühlmantelbauteils nach 5,
- 8 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlmantelbauteils in Spiralform,
- 9 eine Seitenansicht auf ein kreisringförmig vorgeformtes Rohr zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kühlmantelbauteils,
- 10 eine Seitenansicht auf ein gerades Rohr zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kühlmantelbauteils,
- 11 eine Seitenansicht auf ein gerades Rohr mit einteilig verbundenem Zulaufstutzen und mit einteilig verbundenem Ablaufstutzen zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kühlmantelbauteils,
- 12 eine Seitenansicht auf ein gerades Rohr mit einem separaten Zulaufstutzen und mit einem separaten Ablaufstutzen zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kühlmantelbauteils,
- 13 eine Längsschnittdarstellung eines geraden Rohrs mit einem separaten Zulaufstutzen und mit einem separaten Ablaufstutzen zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kühlmantelbauteils,
- 14 eine Längsschnittdarstellung des geraden Rohrs mit Zulaufstutzen und Ablaufstutzen nach 13 in einem Werkzeug zum Innenhochdruck-Umformen,
- 15 eine vergrößerte Längsschnittdarstellung einer Verbindung zwischen dem Ablaufstutzen und dem geraden Rohr,
- 16 eine Darstellung einer turbulenten Strömung eines Kühlmittels innerhalb eines Kühlkanals mit verrippter Oberfläche,
- 17 die turbulente Strömung nach 16 in einer perspektivischen Ansicht und
- 18 eine Gegenüberstellung unterschiedlicher Umfänge bei verschiedenen Querschnittsformen eines Kühlkanals eines erfindungsgemäßen Kühlmantelbauteils.
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1 zeigt einen Teil einer elektrischen Maschine 1 für ein nicht gezeigtes Kraftfahrzeug, wobei die elektrische Maschine 1 ein Gehäuse 2 umfasst. Ein Kühlmantelbauteil 3 ist weiterhin formschlüssig mit dem Gehäuse 2 verbunden.
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Das Kühlmantelbauteil 3 umfasst einen rohrförmigen Kühlmantel 4, einen Zulaufstutzen 5 und einen Abflussstutzen 6 (vgl. 2 bis 4) . Der rohrförmige Kühlmantel 4 bildet einen um eine Hauptachse kreisringförmig gebogenen Kühlkanal 7. Der Zulaufstutzen 5 und der Ablaufstutzen 6 sind an entgegengesetzten Endabschnitten des rohrförmigen Kühlmantels 4 angeordnet, sodass ein Kühlmittel, z.B. eine Kühlflüssigkeit wie Wasser oder Öl, dem Kühlkanal 7 über den Zulaufstutzen 5 zugeführt werden kann, durch den Kühlkanal 7 geleitet werden kann und den Kühlkanal 7 über den Ablaufstutzen 6 wieder verlassen kann. Das Kühlmantelbauteil 3 ist durch Innenhochdruck-Umformen hergestellt worden.
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5 bis 7 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlmantelbauteils 3, wobei der rohrförmige Kühlmantel 4 einen Metallbalg 8 aufweist. Der Metallbalg 8 erstreckt sich in dem durch 5 gezeigten Ausführungsbeispiel über die gesamte Länge des rohrförmigen Kühlmantels 4 und dient zum Aufbau von Turbulatoren bzw. Querrippen 9 innerhalb des Kühlkanals 7 sowie zum besonders leichten Fertigbiegen in die durch 5 und 6 gezeigte Kreisringform. Alternativ kann der Metallbalg 8 auch spiralförmig gebogen werden. 8 zeigt diesbezüglich einen spiralförmig um eine Hauptachse H gebogenen, rohrförmigen Kühlmantel eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kühlmantelbauteils 3. 7 zeigt, dass der Metallbalg 8 in Umfangsrichtung abwechselnd eine Durchmessereinschnürung 10 und eine Durchmesseraufweitung 11 aufweist.
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9 zeigt ein kreisringförmig zugeschnittenes und vorgeformtes Rohr 12, welches zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kühlmantelbauteils 3 verwendet werden kann, z.B. für ein Kühlmantelbauteil 3 nach 1 bis 8. Alternativ kann das vorgeformte Rohr 12 auch spiralförmig gebogen sein. Das vorgeformte Rohr 12 kann durch Innenhochdruck-Umformen zu einem rohrförmigen Kühlmantel geformt werden, welcher eine gewünschte Länge und einen gewünschten Querschnitt zur Erzeugung eines vorgesehenen Kühlkanals aufweist. An dem vorgeformten Rohr 12 befinden sich bereits Endstücke 13 und 14, welche durch Innenhochdruck-Umformen zu einem Zulaufstutzen und einem Ablaufstutzen geformt werden können.
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10 zeigt ein zugeschnittenes gerades Rohr 15, welches ebenfalls zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kühlmantelbauteils 3 verwendet werden kann, z.B. für ein Kühlmantelbauteil nach 1 bis 8. Das nicht vorgeformte Rohr 15 kann durch Innenhochdruck-Umformen zu einem rohrförmigen Kühlmantel geformt werden, welche eine gewünschte Länge und einen gewünschten Querschnitt zur Erzeugung eines vorgesehenen Kühlkanals aufweist. Durch Innenhochdruck-Umformen kann ebenfalls ein Zulaufstutzen und ein Ablaufstutzen geformt werden oder ein Zulaufstutzen und ein Ablaufstutzen können formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Rohr 15 verbunden werden. Anschließend kann das durch Innenhochdruck-Umformen verformte Rohr 15 um eine Hauptachse spiralförmig oder kreisringförmig gebogen werden.
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11 zeigt ein weiteres gerades Rohr 16. Das gerade Rohr 16 ist bereits durch Innenhochdruck-Umformen verformt worden, sodass ein Kühlkanal 7 sowie ein Zulaufstutzen 5 und ein Ablaufstutzen 6 gewünschten Querschnitts und gewünschter Länge entstanden sind. Das gerade Rohr 16, der Zulaufstutzen 5 und der Ablaufstutzen 6 sind einteilig miteinander verbunden und bestehen in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus Edelstahl. Das Rohr 16 kann um eine Hauptachse spiralförmig oder kreisringförmig gebogen werden, um ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlmantelbauteils zu erzeugen.
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12 zeigt ein alternatives gerades Rohr 17. Das gerade Rohr 17 ist bereits durch Innenhochdruck-Umformen verformt worden, sodass ein Kühlkanal 7 gewünschten Querschnitts und gewünschter Länge entstanden ist. Das gerade Rohr 17 besteht in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus Edelstahl. Weiterhin sind ein Zulaufstutzen 5 aus Kupfer und ein Ablaufstutzen 6 aus Kupfer durch das Innenhochdruck-Umformen formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem geraden Rohr 17 verbunden worden. Dazu wurden vor dem Innenhochdruck-Umformen der Zulaufstutzen und der Ablaufstutzen bzw. Vorprodukte davon auf das geschnittene Rohr aufgesetzt und anschließend das Innenhochdruck-Umformen durchgeführt, wodurch die Vorprodukte mit dem Rohr kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Rohr verbunden worden sind. Das Rohr 17 kann um eine Hauptachse spiralförmig oder kreisringförmig gebogen werden, um ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlmantelbauteils zu erzeugen.
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13 bis 15 veranschaulichen die Herstellung eines erfindungsgemäßen Kühlmantelbauteils 3. Ein gerades zugeschnittenes Rohr 18, z.B. aus Kupfer, kann in eine Werkzeuggravur bzw. in ein formgebendes Werkzeug 19 eingelegt werden. In 14 ist das Rohr 18 bereits in einem Zustand nach einem Innenhochdruck-Umformen gezeigt. Ein erstes Vorprodukt 21 für einen Zulaufstutzen 5 und ein zweites Vorprodukt 22 für einen Ablaufstutzen 6 können ebenfalls in das formgebende Werkzeug 19 eingelegt und auf das Rohr 18 aufgesetzt werden, wie dies durch 14 gezeigt ist.
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Anschließend wird das formgebende Werkzeug 19 geschlossen. Es folgt ein Anfahren von zwei Dichtstempeln 20 an das Rohr 18 bzw. an die Vorprodukte 21 und 22 sowie eine Befüllung mit einem Fluid, was durch zwei Richtungspfeile im Bereich der Dichtstempel 20 angedeutet ist.
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Innerhalb des Rohrs 18 wird ein Innendruck durch das Fluid aufgebaut bzw. erhöht, wobei die Dichtstempel 20 nachgeführt bzw. nachgeschoben werden. Auf diese Weise wird das Rohr 18 unter sehr hohem Druck in das formgebende Werkzeug 19 expandiert, sodass eine vorgesehene Querschnittsgeometrie und Länge des rohrförmigen Kühlmantels 4 und dadurch auch des Kühlkanals 7 erreicht wird. Gleichzeitig wird das Rohr 18 an die Vorprodukte 21 und 22 gefügt. Anschließend kann das formgebende Werkzeug 20 geöffnet und das noch nicht kreisringförmig oder spiralförmig um eine Hauptachse gebogene Kühlmantelbauteil 3 mit Kühlkanal 7 und Anschlussstutzen 5, 6 entnommen werden. Das Biegen um die Hauptachse zu einem kreisringförmigen oder spiralförmigen Kühlmantel 4 kann sich anschließen.
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Das gebogene Kühlmantelbauteil 3 kann anschließend in ein Druckgusswerkzeug (nicht gezeigt) eingelegt werden. Ein Gehäuse 2 einer elektrischen Maschine 1 kann danach an das Kühlmantelbauteil 3 angegossen werden, sodass das Kühlmantelbauteil 3 formschlüssig mit dem Gehäuse 2 verbunden ist, wie dies beispielsweise durch 1 gezeigt ist.
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Je lebhafter die Bewegung der Kühlflüssigkeit ist, umso größer ist auch die Wärmeübertragung durch Konvektion. Bei turbulenter Strömung ist der Wärmeübergang deutlich besser als bei laminarer Strömung.
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16 und 17 zeigen diesbezüglich einen Kühlkanal 7 mit mehreren Turbulatoren in Form von rippenförmigen Erhebungen 9, wobei die Turbulatoren 9 quer zur Strömungsrichtung 23 des Kühlmittels innerhalb des Kühlkanals 7 angeordnet sind. Durch die rippenförmigen Erhebungen 9 kann einerseits eine Grenzschicht einer Kühlflüssigkeit, welche durch den Kühlkanal 7 geleitet wird, wiederholt aufgerissen werden. Andererseits kann der Turbulenzgrad der Strömung der Kühlflüssigkeit erhöht werden, um durch einen erhöhten Impulsaustausch und einen erhöhten Energieaustausch den Wärmeübergang auf die Kühlflüssigkeit zu verbessern.
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18 zeigt mehrere bevorzugte Querschnittsformen des Kühlkanals 7, nämlich (von oben nach unten) kreisförmig, rechteckig, langlochförmig und elliptisch. Der Wert der Querschnittsfläche ist bei den vier gezeigten unterschiedlichen Querschnitten identisch. Die Umfangswerte unterscheiden sich jedoch und sind jeweils neben der betreffenden Querschnittsform in Millimetern angegeben. Aus dieser Gegenüberstellung ist insbesondere ersichtlich, dass ein Langloch bei gleich großer Querschnittsfläche etwa einen doppelt so großen Umfang wie ein Rechteck und einen etwa dreimal so großen Umfang wie ein Kreis annehmen kann. Das bedeutet, dass die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung eines Kühlkanals bei gleichem Querschnittsflächenwert auch um den dreifachen Betrag steigen kann. Durch die Ausbildung des Kühlkanals 7 in den vorstehend beschriebenen Querschnittsformen, wie sie insbesondere beim Innenhochdruck-Umformen leicht umzusetzen sind, erreicht man eine besonders hohe Oberflächenvergrößerung der Kühlkanäle 7 und damit eine Erhöhung der Wärmeübertragung durch Wärmeleitung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19749108 C5 [0004]
- DE 4104740 A1 [0004]
- DE 10141693 A1 [0004]