DE102020216226A1

DE102020216226A1 - Elektrische Maschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102020216226A1
Application number: DE102020216226.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Lang; Thomas Auer; Maria Lang
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2022-06-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs. Die elektrische Maschine umfasst insbesondere ein Statorkühlbuchsensystem, das wenigstens einen Luftkanal bildet, der getrennt von einem Fluidkanal (17) zwischen dem Statorkühlbuchsensystem und einem Gehäuse der elektrischen Maschine angeordnet ist. Luft strömt durch den wenigstens einen Luftkanal, wobei die Luft zuvor Wärme von zu kühlenden Komponenten der elektrischen Maschine aufgenommen hat. Der Fluidkanal (17) weist eine Zuflussöffnung (60) auf einer ersten Stirnseite (61) des Statorkühlbuchsensystems auf, wobei Fluid über die Zuflussöffnung (60) in den Fluidkanal (17) eintritt. Fluid, das durch den Fluidkanal (17) fließt, nimmt Wärme von der Luft auf, die durch den wenigstens einen Luftkanal strömt. Der Fluidkanal (17) weist ferner wenigstens eine Abflussöffnung (62) auf einer der ersten Stirnseite (61) abgewandten zweiten Stirnseite (63) des Statorkühlbuchsensystems auf, wobei das Fluid über die Abflussöffnung (62) aus dem Fluidkanal (17) abfließt.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs.
Eine elektrische Maschine, die ein Kraftfahrzeug antreibt, wird mit hohen Leistungen betrieben. Dies bedeutet, jedoch auch, dass viel Wärme entsteht, die als Abwärme von der elektrischen Maschine möglichst gut abgeführt werden muss, um beispielsweise Lager oder eine Rotorwelle der elektrischen Maschine nicht zu schädigen. In diesem Zusammenhang offenbart die DE 10 2005 000 642 A1 ein Kühlsystem für einen elektrischen Motor, wobei das Kühlsystem eine Kühlleitung einschließt, die zwischen einem Kühlmantel und einer separaten Komponentenoberfläche gebildet ist. Die separate Komponentenoberfläche kann wenigstens einen Teil einer Wand der Kühlleitung definieren. Die Kühlleitung kann so konfiguriert sein, dass sie eine Kühlflüssigkeit längs wenigstens eines Teils der separaten Komponentenoberfläche lenkt und Wärme vom elektrischen Motor abführt. Ein Einlassanschluss kann in Strömungsmittelverbindung mit der Kühlleitung sein. Der Einlassanschluss kann so konfiguriert sein, dass er Kühlflüssigkeit aufnimmt und Kühlflüssigkeit in die Kühlleitung einführt. Ein Auslassanschluss kann in Strömungsmittelverbindung mit der Kühlleitung stehen. Die durch die hohen Leistungen in einer elektrischen Maschine entstehende Wärme kann darüber hinaus auch leistungsgrenzend sein. Ab Erreichen einer bestimmten Wickelkopftemperatur senkt typischerweise eine Steuerung der elektrischen Maschine deren Leistung, was auch unter dem Begriff „Derating“ bekannt ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, Abwärme einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs mit einfachen Mitteln besser abzuführen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Kühlkonzept für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs bereit. Die elektrische Maschine kann insbesondere zum Antrieb des Kraftfahrzeugs dienen, entweder allein oder in Kombination mit einem Verbrennungskraftmotor. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Kühlkonzept mit einer Luftkühlung, gemäß welcher Luft durch Bereiche geführt wird, in denen die Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe bestmöglich funktioniert. Dabei ist vorgesehen, dass die Luft ihre aufgenommene Wärme durch Umströmung einer Stator-Wassermantelkühlung abgibt (Abkühlung der Luft). Die Luft strömt dabei örtlich getrennt von der Stator-Wassermantelkühlung und kann an diese günstigerweise sehr viel Wärme abgeben. Mit anderen Worten kann Luft, die innerhalb der elektrischen Maschine Wärme von zu kühlenden Komponenten aufgenommen hat (z.B. Aufnahme der Wärme bei Durchströmung einer Rotorwelle der elektrischen Maschine), diese Wärme optimal an eine wassergekühlte Statorkühlbuchse abgeben.
Dabei ist eine möglichst große Fläche der Luft-Umströmung günstig (optimal sind 360° um die Stator-Wassermantelkühlung. Dies wiederum macht einen Kühlwasserzulauf bzw. Kühlwasserablauf über eine äußere Mantelfläche der Statorkühlbuchse schwierig (technisch und preislich aufwendig), wobei eine Abdichtung von Kühlwasser gegenüber der dazwischenliegenden Luftströmung realisiert werden müsste. Zum Lösen dieser Aufgabe ist insbesondere vorgesehen, die genannte schwierige und aufwendige Zuleitung und Ableitung von Kühlwasser über die äußere Mantelfläche sowie die Abdichtung gegenüber der dazwischenliegende Luftströmung zu umgehen, indem man eine Zuleitung und eine Ableitung von Kühlwasser an den Stirnflächen einer Statorkühlbuchse realisiert.
In diesem Sinne wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung eine elektrische Maschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator mit einem Statorkern, ein Statorkühlbuchsensystem und ein Gehäuse. Das Statorkühlbuchsensystem kann eine einteilige Statorkühlbuchse oder wenigstens zwei separate und koaxial zueinander angeordnete Statorkühlbuchsen umfassen. Das Statorkühlbuchsensystem umgibt den Statorkern außen in einer radialen Richtung der elektrischen Maschine. Das Gehäuse umgibt das Statorkühlbuchsensystem außen in der radialen Richtung der elektrischen Maschine. Das Statorkühlbuchsensystem bildet einen Fluidkanal, der innerhalb des Statorkühlbuchsensystems angeordnet ist, wobei ein Fluid (insbesondere ein Kühlwasser, z.B. eine Mischung aus Wasser und Glysantin) durch den Fluidkanal fließt und dabei Wärme von dem Statorkern aufnimmt (Stator-Wassermantelkühlung).
Das Statorkühlbuchsensystem bildet weiterhin wenigstens einen Luftkanal, der getrennt von dem Fluidkanal zwischen dem Statorkühlbuchsensystem und dem Gehäuse angeordnet ist, wobei Luft durch den wenigstens einen Luftkanal strömt, wobei die Luft zuvor Wärme von zu kühlenden Komponenten der elektrischen Maschine aufgenommen hat. Der Fluidkanal weist eine Zuflussöffnung auf einer ersten Stirnseite des Statorkühlbuchsensystems auf, wobei das Fluid über die Zuflussöffnung in den Fluidkanal eintritt. Das Fluid, das durch den Fluidkanal fließt, nimmt Wärme von der Luft auf, die durch den wenigstens einen Luftkanal strömt (Abkühlung der Luft). Der Fluidkanal weist ferner wenigstens eine Abflussöffnung auf einer der ersten Stirnseite abgewandten zweiten Stirnseite des Statorkühlbuchsensystems auf, wobei das Fluid über die Abflussöffnung aus dem Fluidkanal abfließt. Der Fluidkanal kann insbesondere einen Teil oder Abschnitt eines Kühlwasserkreislaufs der elektrischen Maschine bilden. Dieser Kühlwasserkreislauf weist insbesondere einen Wärmetauscher und eine Pumpe auf, die sowohl innerhalb der elektrischen Maschine als auch außerhalb der elektrischen Maschine angeordnet sein können.
Die Erfindung ermöglicht eine Luftführung um das Statorkühlbuchsen herum in sehr großen Flächen, da kein Zulauf und Ablauf von Fluid über die äußere Mantelfläche des Statorkühlbuchsensystems erfolgen muss. Die Luft, die Wärme von den zu kühlenden Komponenten der elektrischen Maschine aufgenommen hat, kann weiterhin einen Teil dieser Wärme nach außen an eine Umgebung der elektrischen Maschine abgeben, sodass die Luft besonders intensiv rückgekühlt wird und anschließend wieder Wärme aufnehmen kann, um die Elemente der elektrischen Maschine weiter zu kühlen (geschlossener Luftkreislauf). Dadurch, dass der Luftkanal und der Fluidkanal durch das Statorkühlbuchsensystem geformt werden und die Fluidanschlüsse stirnseitig angeordnet sind, ergeben sich eine geringe Anzahl und Komplexität von Bauteilen und damit geringere Kosten. Das Statorkühlbuchsensystem kann in eine Bohrung des Gehäuses eingesetzt werden, wobei die Bohrung einfach maschinell zu fertigen ist. Weiterhin nimmt das Statorkühlbuchsensystem einen besonders geringen Bauraum in Anspruch. Das Statorkühlbuchsensystem hat optimale Wärmeabgabeeigenschaften da die Luft sehr nahe an dem durch den Fluidkanal fließenden Fluid vorbeiströmt, und über dieses Fluid die meiste Wärme aus dem System abgeführt wird.
In einer Ausführungsform ist das Statorkühlbuchsensystem zweiteilig aufgebaut und umfasst eine innere Statorkühlbuchse sowie eine äußere Statorkühlbuchse. Die innere Statorkühlbuchse umgibt den Statorkern außen in der radialen Richtung der elektrischen Maschine, wobei die äußere Statorkühlbuchse die innere Statorkühlbuchse in der radialen Richtung der elektrischen Maschine außen umgibt, und wobei das Gehäuse die äußere Statorkühlbuchse in der radialen Richtung der elektrischen Maschine außen umgibt. Die innere Statorkühlbuchse bildet dabei den Fluidkanal, einschließlich der Zuflussöffnung und der Abflussöffnung. Die äußere Statorkühlbuchse bildet den wenigstens einen Luftkanal. Mithilfe der äußeren Statorkühlbuchse, vorzugsweise mit Luftspalten/Luftkanälen und Stegen als „Diagonalbuchse“ (d.h. diagonale Stege) ausgeführt, lassen sich enorm viele Vorteile für die Luftkühlung auf einfache Weise realisieren. So kann beispielsweise die äußere Statorkühlbuchse über ihre Innenfläche die Wasserkühlung (Fluidkanal) der inneren Statorkühlbuchse abdichten. Dabei kann ebenso ein einfachstes Dichtungskonzept zum Einsatz kommen, z.B. mit lediglich zwei O-Ringen an voneinander abgewandten Stirnseiten der äußeren und inneren Statorkühlbuchse.
Der Fluidkanal kann beispielsweise spiralförmig oder mäanderförmig (evtl. in Conti-Voranmeldung nachlesen) bzw. slalomförmig verlaufen.
In einer Ausführungsform ist die Zuflussöffnung derart geformt, dass das Fluid in einer axialen Richtung der elektrischen Maschine in den Fluidkanal eintritt, wobei die Abflussöffnung derart geformt ist, dass das Fluid ebenfalls in der axialen Richtung der elektrischen Maschine aus dem Fluidkanal austritt.
Das Gehäuse kann einen Fluidversorgungskanal formen, über welchen der elektrischen Maschine das Fluid zugeführt wird. Der Fluidversorgungskanal kann beispielsweise durch eine Bohrung in dem Gehäuse umgesetzt werden. Der Fluidversorgungskanal kann in der radialen Richtung durch das Gehäuse, wobei der Fluidversorgungskanal mit der Zuflussöffnung verbunden ist, sodass das Fluid aus dem Fluidversorgungskanal in die Zuflussöffnung fließt. Durch den radialen Verlauf des Fluidversorgungskanals kann dieser besonders kurz ausgeführt sein. Der Fluidversorgungskanal kann als Hydraulikanschluss bezeichnet werden, über welchen insbesondere Kühlwasser durch das Motorgehäuse in den Fluidkanal geleitet wird, insbesondere über ein im Folgenden beschriebenes Fluidverteilerelement.
Um den Fluidversorgungskanal des Gehäuses optimal mit dem Eingang des Fluidkanals des Statorkühlbuchsensystems fluidtechnisch zu verbinden, kann die elektrische Maschine ein Fluidverteilerelement umfassen. Der Fluidversorgungskanal ist dabei mit dem Fluidverteilerelement verbunden, sodass Fluid aus dem Fluidversorgungskanal in das Fluidverteilerelement fließt. Andererseits ist das Fluidverteilerelement mit der Zuflussöffnung verbunden, sodass Fluid aus dem Fluidverteilerelement in die Zuflussöffnung fließt. Das Fluidverteilerelement formt einen Umlenkkanal, sodass das Fluid innerhalb des Fluidverteilerelements von der radialen Richtung (in welche es durch den Fluidversorgungskanal gelenkt wird) in die axiale Richtung (in welcher es in den Fluidkanal einströmen soll) umgelenkt wird, bevor es in die Zuflussöffnung fließt.
Um Fluid auf der Ausgangsseite des Fluidkanals optimal aus diesem abzuführen, formt das Gehäuse in einer weiteren Ausführungsform einen Fluidabfuhrkanal, über welchen das Fluid aus der elektrischen Maschine abgeführt wird. Der Fluidabfuhrkanal kann beispielsweise durch eine Bohrung in dem Gehäuse umgesetzt werden. Der Fluidabfuhrkanal verläuft bevorzugt in der axialen Richtung durch das Gehäuse, wobei der Fluidabfuhrkanal mit der Abflussöffnung (aus welcher das Fluid insbesondere in der axialen Richtung abfließt) verbunden ist, sodass das Fluid aus der Abflussöffnung des Fluidkanals in den Fluidabfuhrkanal des Gehäuses fließt. Es können auch mehrere der vorstehend beschriebenen Fluidabfuhrkanäle vorgesehen sein, die insbesondere baulich und strömungstechnisch parallel angeordnet sind. Durch den axialen Verlauf des Fluidablasskanals kann dieser besonders kurz ausgeführt sein. Das in der axialen Richtung aus der Abflussöffnung fließende Fluid muss dabei nicht umgelenkt werden, wenn es in den Fluidablasskanal geleitet wird.
Mittels eines oder mehrerer Anschlagelemente können das Gehäuse und das Statorkühlbuchsensystem (sowie die darin aufgenommenen Elemente) zueinander ausgerichtet werden, wobei das Statorkühlbuchsensystem (sowie die darin aufgenommenen Elemente) insbesondere in das Gehäuse eingepresst werden, bis das oder die Anschlagelemente einen oder mehrere Gegenanschläge des Gehäuses erreichen. In diesem Sinne formt die innere Statorkühlbuchse in einer weiteren Ausführungsform mehrere Anschlagselemente, welche in der axialen Richtung einen stirnseitigen Abschluss des Statorkühlbuchsensystems bilden, wobei die Anschlagselemente an wenigstens einem korrespondierenden Anschlag des Gehäuses anliegen, sodass das Gehäuse und das Statorkühlbuchsensystem zueinander ausgerichtet sind. Dabei fluchten auf der ersten Stirnseite des Statorkühlbuchsensystems insbesondere der Fluidversorgungskanal mit dem Fluidverteilerelement sowie das Fluidverteilerelement mit der Zuflussöffnung des Fluidkanals. Auf der zweiten Stirnseite des Statorkühlbuchsensystems fluchtet insbesondere der Fluidkanal mit der Abflussöffnung des Fluidablasskanals.
Nach Durchströmen des Fluidkanals kann das Fluid über einen oder mehrere Abflüsse (Bohrungen) das Statorkühlbuchsensystem verlassen und über das Gehäuse aus der elektrischen Maschine gelangen. Von dort kann das Fluid über einen externen Kühler, der z.B. am Fahrzeugchassis befestigt ist, abgekühlt werden. Mittels einer Kühlwasserpumpe kann ein Kreislauf bzw. ein Zirkulieren des Fluids realisiert werden. In diesem Sinne umfasst gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ein Kühlwasserkreislauf eine elektrische Maschine nach dem ersten Aspekt der Erfindung sowie einen Wärmetauscher und eine Kühlwasserpumpe, wobei der Wärmetauscher und die Kühlwasserpumpe außerhalb der elektrischen Maschine angeordnet sind. Der Wärmetauscher ist dabei dazu eingerichtet, aus dem Fluidkanal kommendes Fluid abzukühlen, und die Kühlwasserpumpe ist dazu eingerichtet, Fluid innerhalb des Kühlwasserkreislaufs zu fördern, sodass es zwischen dem Fluidkanal und dem Wärmetauscher zirkuliert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich der Luftkanal in einer axialen Richtung der elektrischen Maschine von einer ersten Stirnseite der äußeren Statorkühlbuchse bis zu einer zweiten Stirnseite der äußeren Statorkühlbuchse, wobei die äußere Statorkühlbuchse einen ersten Steg und einen zweiten Steg formt. Der erste Steg und der zweite Steg stehen dabei von einer äußeren Mantelfläche der äußeren Statorkühlbuchse in der radialen Richtung der elektrischen Maschine nach außen ab, wobei der erste Steg und der zweite Steg in einer Umfangsrichtung der äußeren Statorkühlbuchse zwischen sich den Luftkanal begrenzen. Darüber hinaus können mehr als die zwei Stege vorgesehen sein, z.B. ein dritter Steg und ein vierter Steg, die dann entsprechend mehrere Kühlkanäle zwischen sich begrenzen. Die Stege sind über die äußere Mantelfläche verteilt, z.B. äquidistant und oder parallel zueinander. Der erste Steg und der zweite Steg können insbesondere in radialer Richtung besonders niedrig von der äußeren Mantelfläche nach außen abstehen, z.B. einige Millimeter, und besonders weit voneinander beabstandet sein, z.B. ein Vielfaches von 10 mm, sodass sehr breite, aber niedrige Luftkanäle entstehen. Die äußere Statorkühlbuchse hat dann optimale Wärmeabgabeeigenschaften, da die Luft in sehr breiten aber niedrigen Luftspalten strömen kann.
Der erste Steg und der zweite Steg können geradlinig und parallel zu der axialen Richtung der elektrischen Maschine verlaufen, sodass der Luftkanal ebenfalls parallel zu der axialen Richtung der elektrischen Maschine verläuft.
Besonders bevorzugt können die Stege diagonal (Diagonalbuchse) entlang der Mantelfläche verlaufen. Da die Luft aufgrund der Drehrichtung der elektrischen Maschine bzw. deren Rotorwelle einen Drall erhält, weist eine Diagonalbuchse besonders gute Strömungseigenschaften für die Luft auf, was durch Strömungssimulationen der Erfinder validiert wurde. Als besonders gute Luftströmungseigenschaften sind in diesem Zusammenhang insbesondere geringe Verwirbelungen, ein geringer Rückstau, gute Anströmung von „heißen“ Komponenten und geringe „Blind-spots“ hinsichtlich der Anströmung zu nennen. In diesem Zusammenhang verlaufen gemäß einer weiteren Ausführungsform der erste Steg und der zweite Steg geradlinig und angewinkelt zu der axialen Richtung der elektrischen Maschine, sodass der Luftkanal diagonal entlang der äußeren Mantelfläche der äußeren Statorkühlbuchse verläuft.
Ferner können der erste Steg und der zweite Steg eine radial äußere Abstützfläche formen, mit welcher sich die äußere Statorkühlbuchse - und die radial innerhalb der Statorkühlbuchse befindlichen Elemente der elektrischen Maschine - an dem Gehäuse der elektrischen Maschine abstützen können. Gemäß dieser Ausführungsform stützen sich somit die Buchsen und nahezu die ganze elektrische Maschine über die Stege am Motorgehäuse ab, z.B. über einen Presssitz zu dem Gehäuse der elektrischen Maschine. Die Buchse muss nicht zwangsweise in das Motorgehäuse eingepresst sein, ist dies jedoch vorzugsweise. Es könnte auch eine Übergangspassung oder Spielpassung sein und ein anderes Maschinenelement z.B. ein Bolzen, dafür sorgen, dass sich die Buchse im Motorgehäuse nicht verdreht.
Besonders effektiv und effizient ist die Kühlung der elektrischen Maschine, wenn eine Luftkühlung ermöglicht wird, gemäß derer Luft innerhalb der elektrischen Maschine zirkuliert und dabei einerseits Wärme von zu kühlenden Komponenten aufnimmt, z.B. von den Wickelköpfen oder von einer Rotorwelle, und andererseits wieder abgeben kann, insbesondere an eine äußere Umgebung der elektrischen Maschine. Das Statorkühlbuchsensystem ermöglicht dabei über die Luftspalte bzw. über den wenigstens einen Luftkanal, dass ein Luftkreislauf mit Wärmeaufnahmebereich und Wärmeabgabebereich entstehen kann. Durch einen Ventilator kann ein zirkulierender Volumenstrom Luft innerhalb des Luftkreislaufs generiert werden. In diesem Sinne ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die elektrische Maschine einen geschlossenen Luftkreislauf und einen Ventilator umfasst, der innerhalb des geschlossenen Luftkreislaufs angeordnet ist. Dabei bildet der wenigstens eine Luftkanal einen Abschnitt des geschlossenen Luftkreislaufs. Der Ventilator fördert dabei Luft innerhalb des geschlossenen Luftkreislaufs, d. h. er bringt Luft, die sich innerhalb des geschlossenen Luftkreislauf befindet, zum Zirkulieren.
Besonders vorteilhaft für die Kühlung der elektrischen Maschine ist es, wenn die innerhalb des geschlossenen Luftkreislaufs zirkulierende Luft Wärme von einer Rotorwelle der elektrischen Maschine aufnehmen kann. So kann die Luft, die durch den Luftkreislauf gefördert wird, den Rotor in Freigängen einer z.B. kreuz- oder sternförmigen Rotorwelle durchströmen. Die Luft strömt im Luftkreislauf und kann dabei Wärme im Rotor aufnehmen und nach außen über das Gehäuse oder an die wassergekühlte innere Statorkühlbuchse abgeben. In diesem Sinne kann die elektrische Maschine einen Rotor mit einer Rotorwelle aufweisen und der Luftkreislauf einen Rotorluftkanal. Der Rotorluftkanal kann dabei beispielsweise in der axialen Richtung der durch die Rotorwelle verlaufen. Dazu kann die Rotorwelle derart geformt sein, dass sie zumindest einen Teil des Rotorluftkanals formt. Beispielsweise kann die Rotorwelle dazu einen sternförmigen oder kreuzförmigen Querschnitt aufweisen, sodass Freigänge gebildet werden, über welche die Luft die Rotorwelle durchströmen kann. Alternativ kann der Luftkanal durch Bohrungen im Rotor selbst gebildet werden. In dem Rotorluftkanal strömende Luft nimmt Wärme von der Rotorwelle auf und kühlt die Rotorwelle dadurch.
Um eine Luftkühlung von Wickelköpfen des Stators zu ermöglichen ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass der Luftkreislauf einen ersten Wickelkopf-Luftkanal und einen zweiten Wickelkopf-Luftkanal umfasst. Der erste Wickelkopf-Luftkanal verläuft entlang des ersten Wickelkopfs, sodass Luft, die in dem ersten Wickelkopf-Luftkanal strömt, Wärme von dem ersten Wickelkopf aufnimmt. Auf ähnliche Weise verläuft der zweite Wickelkopf-Luftkanal entlang des zweiten Wickelkopfs, sodass Luft, die in dem zweiten Wickelkopf-Luftkanal strömt, Wärme von dem zweiten Wickelkopf aufnimmt. Der Rotorluftkanal kann an seinen beiden axialen Enden einerseits mit dem ersten Wickelkopf-Luftkanal und andererseits mit dem zweiten Wickelkopf-Luftkanal verbunden sein, wobei Luft aus dem zweiten Wickelkopf-Luftkanal in den Rotorluftkanal einströmt, und wobei Luft aus dem Rotorluftkanal ausströmt und in den ersten Wickelkopf-Luftkanal strömt.
Das Gehäuse der elektrischen Maschine kann ein stirnseitiges Gehäuseteil aufweisen, welches die elektrische Maschine auf einer ersten axialen Stirnseite der elektrischen Maschine zumindest teilweise verschließt. Der erste Wickelkopf-Luftkanal wird gemäß dieser Ausführungsform zumindest zum Teil durch das Gehäuse geformt. Auf ihrer anderen axialen Stirnseite kann die elektrische Maschine weiterhin einen Gehäusedeckel aufweisen. Dieser Gehäusedeckel kann sich insbesondere dadurch auszeichnen, dass er die elektrische Maschine auf der zweiten axialen Stirnseite zumindest teilweise verschließt, und dass er gleichzeitig zumindest einen Teil des zweiten Luftkanals formt.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, welches eine elektrische Maschine gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung oder einen Kühlwasserkreislauf nach dem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst. Das Kraftfahrzeug kann einen elektrischen Achsantrieb aufweisen, der von der elektrischen Maschine angetrieben wird. Die elektrische Maschine ist dabei derart in dem Kraftfahrzeug angeordnet, dass das Kraftfahrzeug von der elektrischen Maschine angetrieben werden kann, wenn sich die elektrische Maschine im Motorbetrieb befindet. Weiterhin kann die elektrische Maschine derart innerhalb des Kraftfahrzeugs angeordnet sein, dass die elektrische Maschine durch das Kraftfahrzeug angetrieben wird, wenn sich die elektrische Maschine im Generatorbetrieb befindet. Bei dem Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein Nutzfahrzeug, ein Automobil (z.B. ein Personenkraftfahrwagen mit einem Gewicht von weniger als 3,5 t), Motorrad, Motorroller, Moped, Fahrrad, E-Bike, Bus oder Lastkraftwagen (Bus und Lastkraftwagen z.B. mit einem Gewicht von über 3,5 t), oder aber auch um ein Schienenfahrzeug, ein Schiff, ein Luftfahrzeug wie Helikopter oder Flugzeug. Mit anderen Worten ist die Erfindung in allen Bereichen des Transportwesens wie Automotive, Aviation, Nautik, Astronautik etc. einsetzbar. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise zu einer Fahrzeugflotte gehören. Das Kraftfahrzeug kann durch einen Fahrer gesteuert werden, möglicherweise unterstützt durch ein Fahrerassistenzsystem. Das Kraftfahrzeug kann jedoch auch beispielsweise ferngesteuert und/oder (teil-)autonom gesteuert werden.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt

1 eine Längsschnittdarstellung durch einen Teil einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
2 eine perspektivische Darstellung eines Stators und einer inneren Statorkühlbuchse der elektrischen Maschine nach 1,
3 eine perspektivische Darstellung einer äußeren Statorkühlbuchse der elektrischen Maschine nach 1, wobei die äußere Statorkühlbuchse die innere Statorkühlbuchse und den Stator nach 2 sowie einen Rotor der elektrischen Maschine nach 1 umgibt,
4 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Gehäuses der elektrischen Maschine nach 1,
5 eine perspektivische Ansicht eines Teils der elektrischen Maschine nach 1,
6 eine perspektivische Ansicht eines Fluidverteilerelements der elektrischen Maschine nach 1,
7 eine Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs, das durch die elektrische Maschine nach 1 angetrieben werden kann, und
8 eine Draufsicht auf einen Antriebsstrang eines weiteren Kraftfahrzeugs, das durch die elektrische Maschine nach 1 angetrieben werden kann.

1 zeigt eine elektrische Maschine 1 mit einem Stator 2 und mit einem Rotor 3. Die elektrische Maschine 1 umfasst weiterhin ein Gehäuse 4 und einen Gehäusedeckel 5. Die elektrische Maschine 1 kann als Motor und als Generator betrieben werden. Die elektrische Maschine 1 kann ein Kraftfahrzeug 6/38 antreiben, das durch 7 bzw. 8 gezeigt ist.
Wenn die elektrische Maschine 1 als Motor betrieben wird, kann eine zeitvariable Spannung an den Stator 2 und an die darin befindlichen Wicklungen angelegt werden, um ein zeitvariables Magnetfeld zu erzeugen, das im Rotor 3 wirkt, um ein Drehmoment zu induzieren und damit eine Drehbewegung zu erzeugen. Wenn die elektrische Maschine 1 als Generator betrieben wird, kann elektrische Energie durch Induktion eines variierenden Magnetfeldes (z.B. durch Rotation des Rotors 3) in einem geschleiften oder gewickelten Leiter des Stators 2 erzeugt werden, um einen Strom in den Leiter zu induzieren.
Der Stator 2 umfasst einen Statorkern 7 und ein zweiteilig aufgebautes Statorkühlbuchsensystem 8 mit einer inneren Statorkühlbuchse 15 und mit einer äußeren Statorkühlbuchse 20. Die innere Statorkühlbuchse 15 umgibt den Statorkern 7 außen in einer radialen Richtung r der elektrischen Maschine 1. Die äußere Statorkühlbuchse 20 umgibt die Statorkühlbuchse 15 außen in der radialen Richtung r der elektrischen Maschine 1. Das Gehäuse 4 umgibt die äußere Statorkühlbuchse 20 au-ßen in der radialen Richtung r der elektrischen Maschine 1.
Der Statorkern 7 weist einen zylindrischen Innenhohlraum auf, in welchem der Rotor 3 angeordnet ist. Der Rotor 3 weist eine mehrteilige Rotorwelle 36 auf, die drehbar um eine Längsachse L der elektrischen Maschine 1 in einem ersten Wälzlager 11 und in einem zweiten Wälzlager 12 gelagert ist. Die Längsachse L verläuft in der axialen Richtung x der elektrischen Maschine 1. Der Statorkern 7 und das Statorkühlbuchsensystem 8 sind fest (d.h. sie rotieren nicht) über einen Presssitz in einer axialen Bohrung 16 des Gehäuses 4 aufgenommen.
Die innere Statorkühlbuchse 15 bildet einen Fluidkanal 17, der zwischen dem Statorkern 7 und der äußeren Statorkühlbuchse 20 angeordnet ist. Der Fluidkanal 17 verläuft in dem gezeigten Ausführungsbeispiel (2) slalomförmig bzw. mäanderförmig um die äußere Mantelfläche 31 der inneren Statorkühlbuchse 15. Die innere Statorkühlbuchse 15 formt den Fluidkanal 17 durch Ausnehmungen bzw. Aussparungen an ihrer äußeren Mantelfläche 31. Eine innere Mantelfläche 22 der äußeren Statorkühlbuchse 20 verschließt den Fluidkanal 17 in der radialen Richtung r nach außen hin und dichtet den Fluidkanal 17 in dieser Richtung hin ab (3). In der axialen Richtung x wird der Fluidkanal 17 durch zwei O-Ringe 23 abgedichtet, die an zwei voneinander abgewandten axialen Stirnseiten des Statorkühlbuchsensystems 8 zwischen der inneren Statorkühlbuchse 15 und der äußeren Statorkühlbuchse 20 angeordnet sind.
Der Fluidkanal 17 verläuft derart zwischen der inneren Statorkühlbuchse 15 und der äußeren Statorkühlbuchse 20, dass durch den Fluidkanal 17 gefördertes Kühlfluid (insbesondere Kühlwasser, z.B. eine Mischung aus Wasser und Glysantin) den Statorkern 7 kühlen kann. Kühlfluid, das durch den Fluidkanal 17 fließt, kann also Wärme von dem Statorkern 7 aufnehmen. Anschließend bzw. stromabwärts kann das Kühlfluid durch einen Wärmetauscher 57 eines Kühlwasserkreislaufs 59 rückgekühlt werden, an welchen der Fluidkanal 17 angeschlossen (8). Der Fluidkanal 17 bildet somit ein internes Element des Kühlwasserkreislaufs 59. Das Kühlfluid kann mittels einer Pumpe 58 des Kühlwasserkreislaufs 59 gefördert werden.
2 zeigt, dass die innere Statorkühlbuchse 15 eine Zuflussöffnung 60 bildet. Die Zuflussöffnung 60 befindet sich am Anfang des Fluidkanals 17 auf einer axialen ersten Stirnseite 61 der inneren Statorkühlbuchse 15. Über die Zuflussöffnung 60 wird dem Fluidkanal 17 mittels der Pumpe 58 Fluid aus dem Kühlwasserkreislauf 59 zugeführt. Die innere Statorkühlbuchse 15 bildet ferner auf ihrer axialen zweiten Stirnseite 63 am Ende des Fluidkanals 17 vier Abflussöffnungen 62. Über die Abflussöffnungen 62 fließt das durch die Pumpe 58 geförderte Fluid aus dem Fluidkanal 17 ab in Richtung des Wärmetauschers 57, wo das Fluid gekühlt wird. 8 zeigt, dass das Fluid nach Durchströmen des Fluidkanals 17 die elektrische Maschine 1 verlässt. Die Abflussöffnungen 62 sind dabei derart geformt, dass das Fluid in der axialen Richtung x der elektrischen Maschine 1 aus dem Fluidkanal 17 austritt.
4 zeigt, dass das Gehäuse 4 vier Fluidabfuhrkanäle 64 formt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die vier Fluidabfuhrkanäle 64 durch vier Bohrungen innerhalb des Gehäuses 4 realisiert. Die Bohrungen bzw. die Fluidabfuhrkanäle 64 verlaufen beispielsweise in der axialen Richtung x der elektrischen Maschine 1 parallel zueinander. Die Fluidabfuhrkanäle 64 können den gleichen Durchmesser aufweisen wie die Abflussöffnungen 62. Weiterhin fluchten die vier Fluidabfuhrkanäle 64 mit den vier Abflussöffnungen 62. Auf diese Weise sind die Fluidabfuhrkanäle 64 des Gehäuses 4 mit den Abflussöffnungen 62 der inneren Statorkühlbuchse 15 verbunden, sodass das Fluid aus dem Fluidkanal 17 über die Abflussöffnungen 62 in die Fluidabfuhrkanäle 64 fließt. Die Fluidabfuhrkanäle 64 verbinden den Fluidkanal 17 mit einer externen Fluidleitung 65 des Kühlwasserkreislaufs 59. Die Fluidabfuhrkanäle 64 bilden somit ein internes Element des Kühlwasserkreislaufs 59. Die externe Fluidleitung 65 verläuft außerhalb der elektrischen Maschine 1 und führt zu dem Wärmetauscher 57, welcher das Fluid abkühlt. Der Wärmetauscher 57 befindet sich ebenfalls außerhalb der elektrischen Maschine 1 und ist z.B. an einem Chassis des Kraftfahrzeugs 1 befestigt (7). Auch die Pumpe 58 befindet sich außerhalb der elektrischen Maschine 1.
4 und 5 zeigen, dass das Gehäuse 4 einen Fluidversorgungskanal 66 formt, über welchen der elektrischen Maschine 1 das Fluid aus dem Kühlwasserkreislauf 59 zugeführt wird. Der Fluidversorgungskanal 66 ist mit dem Kühlwasserkreislauf 59 verbunden. Der Fluidversorgungskanal 66 bildet somit ein internes Element des Kühlwasserkreislaufs 59. Der Fluidversorgungskanal 66 mit der Zuflussöffnung 60 des Fluidkanals 17 verbunden, sodass mittels der Pumpe 58 gefördertes Fluid aus dem Fluidversorgungskanal 66 in die Zuflussöffnung 60 fließt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Fluidversorgungskanal 66 durch eine Bohrung innerhalb des Gehäuses 4 realisiert. Die Bohrung bzw. der Fluidversorgungskanal 66 verläuft in der radialen Richtung r der elektrischen Maschine 1 und damit quer zu der Zuflussöffnung 60 und ebenfalls quer zu einem ersten Abschnitt des Fluidkanals 17, die beide in der axialen Richtung x der elektrischen Maschine 1 verlaufen.
5 und 6 zeigen, dass die elektrische Maschine 1 ein Fluidverteilerelement 67 umfasst. Das Fluidverteilerelement 67 dient dazu, den Fluidversorgungskanal 66 des Gehäuses 4 strömungstechnisch optimal mit der Zuflussöffnung 60 des Fluidkanals 17 zu verbinden, insbesondere durch Umlenken einer radialen Strömung des Fluids innerhalb des Fluidversorgungskanal 66 in eine axiale Strömung innerhalb der Zuflussöffnung 60 und innerhalb des ersten Abschnitts des Fluidkanals 17. Der Fluidversorgungskanal 66 ist dazu mit einem Fluideingang 68 des Fluidverteilerelements 67 verbunden. Der Fluideingang 68 ist eine Öffnung des Fluidverteilerelements 67.
Der Fluideingang 68 kann den gleichen Durchmesser aufweisen wie der Fluidversorgungskanal 66. Der Fluideingang 68 fluchtet mit dem Fluidversorgungskanal 66. Auf diese Weise ist der Fluideingang 68 des Fluidverteilerelements 67 mit dem Fluidversorgungskanal 66 des Gehäuses 4 strömungstechnisch verbunden, sodass das Fluid aus dem Fluidversorgungskanal 66 in das Fluidverteilerelement 67 fließt. Eine Abdichtung des Fluidverteilerelements 67 zu dem Gehäuse 4 der elektrischen Maschine 4 kann z.B. über einen O-Ring um den Fluideingang 68 in dem Fluidverteilerelement 67 erfolgen oder um eine Klebefläche, die z.B. mit Loctite benetzt werden kann.
Das Fluidverteilerelement 67 formt in seinem Inneren einen Umlenkkanal 69, sodass das Fluid innerhalb des Fluidverteilerelements 67 von der radialen Richtung r (in welche es durch den Fluidversorgungskanal 66 gelenkt wird) in die axiale Richtung x (in welcher es in den Fluidkanal 17 einströmen soll) umgelenkt wird, bevor es in die Zuflussöffnung 60 des Fluidkanals 17 fließt. Auf seinem auslassseitigen Ende formt das Fluidverteilerelement 67 einen Fluidausgang 70. Der Fluidausgang 70 ist eine Öffnung des Fluidverteilerelements 67. Der Fluidausgang 70 weist den gleichen Öffnungsquerschnitt auf wie die Zuflussöffnung 60 des Fluidkanals 17. Der Fluidausgang 70 fluchtet mit der Zuflussöffnung 60 des Fluidkanals 17. Auf diese Weise ist der Fluidausgang 70 des Fluidverteilerelements 67 mit dem Fluidkanal 17 über dessen Zuflussöffnung 60 strömungstechnisch verbunden, sodass das Fluid aus dem Fluidverteilerelement 67 in den Fluidkanal 17 fließt. Um den Fluidausgang 70 herum formt das Fluidverteilerelement 67 eine Nut 73 (6), in der ein Dichtungselement 74 angeordnet ist (5), sodass das Fluidverteilerelement 67 gegenüber der inneren Statorkühlbuchse 15 abgedichtet ist.
Insbesondere 3 zeigt, dass die innere Statorkühlbuchse 15 drei axiale Anschlagelemente 71 formt. Die Anschlagelemente 71 der inneren Statorkühlbuchse 15 bilden in der axialen Richtung x der elektrischen Maschine 1 einen stirnseitigen Abschluss des Statorkühlbuchsensystems 8. Mittels der drei Anschlagelemente 71 können das Gehäuse 4 und das Statorkühlbuchsensystem 8 (sowie die darin aufgenommenen Elemente) zueinander ausgerichtet werden. Dabei wird das Statorkühlbuchsensystem 8 (sowie die darin aufgenommenen Elemente) insbesondere in das Gehäuse 4 eingepresst, bis die drei Anschlagelemente 71 entsprechende Gegenanschläge 72 des Gehäuses 4 erreichen (4). Wenn dies der Fall ist, sind das Gehäuse 4 und das Statorkühlbuchsensystem 8 zueinander ausgerichtet. Dabei fluchten auf der ersten Stirnseite 61 des Statorkühlbuchsensystems 8 insbesondere der Fluidversorgungskanal 66 mit dem Fluideingang 68 des Fluidverteilerelements 67 sowie der Fluidausgang 70 des Fluidverteilerelements 67 mit der Zuflussöffnung 60 des Fluidkanals 17. Auf der zweiten Stirnseite 63 des Statorkühlbuchsensystems 8 fluchten insbesondere die Abflussöffnungen 62 des Fluidkanals 17 mit den Fluidablasskanälen 64 des Gehäuses 4.
Die äußere Statorkühlbuchse 20 bildet mehrere Luftkanäle 18, von denen ein Luftkanal 18 durch 1 gezeigt ist und von denen exemplarisch in 3 ein erster Luftkanal mit dem Bezugszeichen 18.1 sowie ein zweiter Luftkanal mit dem Bezugszeichen 18.2 versehen ist. Die Luftkanäle 18, 18.1, 18.2 erstrecken sich in einer axialen Richtung x der elektrischen Maschine 1 von einer ersten Stirnseite 24 der äußeren Statorkühlbuchse 20 bis zu einer zweiten Stirnseite 28 der äußeren Statorkühlbuchse 20, wobei die äußere Statorkühlbuchse 20 mehrere Stege formt, von welchen ein erster Steg 29.1, ein zweiter Steg 29.2 und ein dritter Steg 29.3 in 3 dargestellt sind.
Der erste Steg 29.1, der zweite Steg 29.2 und der dritte Steg 29.3 stehen von der äu-ßeren Mantelfläche 30 in der radialen Richtung r der elektrischen Maschine 1 nach außen ab. Der erste Steg 29.1 und der zweite Steg 29.2 begrenzen in einer Umfangsrichtung U der äußeren Statorkühlbuchse 20 zwischen sich den ersten Luftkanal 18.1. Der zweite Steg 29.2 und der dritte Steg 29.3 begrenzen in der Umfangsrichtung U der äußeren Statorkühlbuchse 20 zwischen sich den zweiten Luftkanal 18.2. Die drei Stege 29.1 bis 29.3 sind breite Streifen, die von der äußere Mantelfläche 30 im Vergleich zu ihrer Breite lediglich mit einer geringen Höhe abstehen. Auf diese Weise entstehen sehr breite, aber niedrige Luftkanäle 18, 18.1, 18.2. In der insbesondere durch 3 gezeigten Ausführungsform sind die Stege 29.1 bis 29 3 allesamt gleich geformt und mit gleichem Abstand in der Umfangsrichtung U zueinander (äquidistant) zueinander sowie parallel zueinander angeordnet. In der durch 3 gezeigten Ausführungsform verlaufen die Stege 29.1 bis 29.3 geradlinig und angewinkelt zu der axialen Richtung x der elektrischen Maschine 1, sodass die Luftkanäle 18, 18.1, 18.2 diagonal entlang der äußeren Mantelfläche 30 der äußeren Statorkühlbuchse verlaufen. Die Stege 29.1 bis 29.3 bilden ferner eine radial äußere Abstützfläche, mit welcher sich die äußere Statorkühlbuchse 20 - und die radial innerhalb der äußeren Statorkühlbuchse 20 befindlichen Elemente der elektrischen Maschine 1 - an dem Gehäuse 4 der elektrischen Maschine abstützen können. Die Stege 29.1 bis 29.3 sind in die Bohrung 16 des Gehäuses 4 eingepresst. Die äußeren Statorkühlbuchse 20 bildet noch weitere Stege und Luftkanäle in der vorstehend beschriebenen Weise aus, die allerdings durch 3 nicht dargestellt sind.
Der Stator 2 umfasst weiterhin einen ersten Wickelkopf 9 auf einer ersten Stirnseite S1 der elektrischen Maschine 1 und einen zweiten Wickelkopf 10 auf einer zweiten Stirnseite S2 der elektrischen Maschine 1. Der erste Wickelkopf 9 ist innerhalb eines ersten Wickelkopfraumes 13 angeordnet, der links in 1 dargestellt ist (erste Stirnseite S1). Der zweite Wickelkopf 10 ist innerhalb eines zweiten Wickelkopfraumes 14 angeordnet, der rechts in 1 dargestellt ist (zweite Stirnseite S2).
Der erste Wickelkopfraum 13 ist ein Hohlraum. In einer axialen Richtung x der elektrischen Maschine 1 wird der erste Wickelkopfraum 13 durch ein Gehäuseteil 19 des Gehäuses 4 begrenzt, wobei das Gehäuseteil 19 die elektrische Maschine 1 auf der ersten Stirnseite S1 verschließt. Der erste Wickelkopfraum 13 wird weiterhin in einer radialen Richtung r der elektrischen Maschine 1 außen durch das Gehäuse 4 begrenzt. Innen in der radialen Richtung r geht der Wickelkopfraum 13 in einen ersten Rotorraum 25 über. Der erste Wickelkopfraum 13 und der erste Rotorraum 25 sind trocken, d.h. es befindet sich kein Kühlfluid innerhalb des ersten Wickelkopfraums 13 und innerhalb des ersten Rotorraums 25.
Der zweite Wickelkopfraum 14 ist ebenfalls ein Hohlraum. In der axialen Richtung x der elektrischen Maschine 1 wird der zweite Wickelkopfraum 14 durch den Gehäusedeckel 5 begrenzt, welcher die elektrische Maschine 1 auf der zweiten Stirnseite S2 nach außen verschließt. Der zweite Wickelkopfraum 14 wird weiterhin in einer radialen Richtung r der elektrischen Maschine 1 außen durch das Gehäuse 4 begrenzt. Innen in der radialen Richtung r geht der zweite Wickelkopfraum 14 in einen zweiten Rotorraum 27 über. Der zweite Wickelkopfraum 14 und der zweite Rotorraum 27 sind trocken, d.h. es befindet sich kein Kühlfluid innerhalb des zweiten Wickelkopfraums 14 und innerhalb des zweiten Rotorraums 27.
Die Rotorwelle 36 und die beiden Wickelköpfe 9, 10 werden durch einen Luftkreislauf gekühlt, der geschlossen innerhalb der elektrischen Maschine 1 verläuft. Der Verlauf des Luftkreislaufs ist in 1 durch eine Reihe von Strömungspfeilen 37 verdeutlicht. Ein Ventilator 53 ist innerhalb des Luftkreislaufs 37 angeordnet und fördert darin befindliche Luft, sodass sie innerhalb des Luftkreislaufs 37 zirkuliert. Der Ventilator 53, insbesondere dessen Lüfterrad, ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel benachbart zu dem ersten Rotorlager 11 drehfest auf der Rotorwelle 36 gelagert.
Der Luftkreislauf 37 weist einen ersten Wickelkopf-Luftkanal 54 und einen zweiten Wickelkopf-Luftkanal 55 auf. Der erste Wickelkopf-Luftkanal 54 und der zweite Wickelkopf-Luftkanal 55 verlaufen in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in der radialen Richtung r der elektrischen Maschine 1 von innen nach außen und entlang des ersten Wickelkopfs 9 bzw. entlang des zweiten Wickelkopfs 10. Das stirnseitige Gehäuseteil 19 begrenzt dabei den ersten Wickelkopf-Luftkanal 54 auf der ersten Stirnseite S1. Luft, die durch den ersten Wickelkopf-Luftkanal 54 strömt, nimmt Wärme von dem ersten Wickelkopf 9 auf. Auf diese Weise wird der erste Wickelkopf 9 durch Luft gekühlt. Der Gehäusedeckel 5 begrenzt auf der zweiten Stirnseite S2 den zweiten Wickelkopf-Luftkanal 55. Luft, die durch den zweiten Wickelkopf-Luftkanal 55 strömt, nimmt Wärme von dem zweiten Wickelkopf 10 auf. Auf diese Weise wird der zweite Wickelkopf 10 durch Luft gekühlt.
Zur Kühlung der Rotorwelle 36 weist der Luftkreislauf 37 einen Rotorluftkanal 56 auf. Der Rotorluftkanal 56 verläuft in der axialen Richtung x der elektrischen Maschine 1 durch die Rotorwelle 36. Die Rotorwelle 36 bildet den Rotorluftkanal 56 beispielsweise, in dem die Rotorwelle 36 einen sternförmigen Querschnitt aufweist. Auf der zweiten Stirnseite S2 mündet der zweite Luftkanal 55 in den zweiten Rotorraum 27, der wiederum in den Rotorluftkanal 56 mündet. Auf diese Weise ist der Rotorluftkanal 56 über den zweiten Rotorraum 27 mit dem zweiten Luftkanal 54 verbunden. Somit kann Luft aus dem zweiten Luftkanal 55 über den zweiten Rotorraum 27 in den Rotorluftkanal 56 strömen. Auf der ersten Stirnseite S1 mündet der Rotorluftkanal 56 in den ersten Rotorraum 25, der wiederum in den ersten Luftkanal 54 mündet. Auf diese Weise ist der Rotorluftkanal 56 über dem ersten Rotorraum 25 mit dem ersten Luftkanal 54 verbunden. Somit kann Luft aus dem Rotorluftkanal 56 über den ersten Rotorraum 25 in den ersten Luftkanal 54 strömen. Die durch den Rotorluftkanal 56 strömende Luft nimmt Wärme von der Rotorwelle 36 auf und kühlt dadurch die Rotorwelle 36.
Um die Luft, die zuvor Wärme von dem zweiten Wickelkopf 10, von der Rotorwelle 36 und von dem ersten Wickelkopf 9 aufgenommen hat, wieder abzukühlen, damit sie im Folgenden erneut Wärme von den vorstehend genannten Komponenten aufnehmen kann, um diese zu kühlen, durchströmt die Luft die Luftkanäle 18, 18.1, 18.2 des Statorkühlbuchsensystems 8. Auf der ersten Stirnseite S1 mündet der erste Wickelkopf-Luftkanal 54 in den ersten Wickelkopfraum 13 (bzw. der erste Wickelkopf-Luftkanal 54 geht in den ersten Wickelkopfraum 13 über), der wiederum in die Luftkanäle 18, 18.1, 18.2 mündet. Auf diese Weise sind die die Luftkanäle 18, 18.1, 18.2 über den ersten Wickelkopfraum 13 mit dem ersten Luftkanal 54 verbunden. Somit kann Luft aus dem ersten Wickelkopf-Luftkanal 54 über den ersten Wickelkopfraum 13 in die Luftkanäle 18, 18.1, 18.2 strömen.
Luft, die aus dem ersten Wickelkopf-Luftkanal 14 über den ersten Wickelkopfraum 13 in die Luftkanäle 18, 18.1, 18.2 strömt, kann zum einen Wärme an das Gehäuse 4 abgeben, welches die aufgenommene Wärme zumindest zum Teil wieder an die äu-ßere Umgebung 32 der elektrischen Maschine 1 abgeben kann. Zum anderen kann die Luft, die durch die Luftkanäle 18, 18.1, 18.2 strömt, Wärme an das Kühlfluid abgeben, welches durch den Statorfluidkanal 17 strömt.
Auf diese Weise wird die Luft, die durch die Luftkanäle 18, 18.1, 18.2 strömt, in beiden radialen Richtung r (nämlich radial nach innen radial nach außen) abgekühlt bzw. rückgekühlt. Auf der zweiten Stirnseite münden die die Luftkanäle 18, 18.1, 18.2 in den zweiten Wickelkopfraum 14, der wiederum in den zweiten Wickelkopf-Luftkanal 55 mündet bzw. in diesen übergeht. Auf diese Weise sind die Luftkanäle 18, 18.1, 18.2 über den zweiten Wickelkopfraum 14 mit dem zweiten Wickelkopf-Luftkanal 55 verbunden. Somit kann Luft aus den Luftkanälen 18, 18.1, 18.2 über den zweiten Wickelkopfraum 14 in den zweiten Wickelkopf-Luftkanal 55 strömen. Da sich die Luft abkühlt, während sie die Luftkanäle 18, 18.1, 18.2 durchströmt, steht stromabwärts der Luftkanäle 18, 18.1, 18.2 erneut kühle Luft zur Verfügung, um insbesondere den zweiten Wickelkopf 10, die Rotorwelle 36 und den ersten Wickelkopf 9 (weiter) zu kühlen.
Eine Drehrichtung des Rotors 3 ist in 1 durch einen Drehrichtungspfeil 21 angezeigt. Aufgrund der Drehrichtung 21, die beispielsweise einer Vorwärtsfahrt des Kraftfahrzeugs 6, 38 entsprechen kann, erhält die Luft innerhalb des Luftkreislaufs 37 einen Drall. Dies ist insbesondere innerhalb der diagonal verlaufenden Luftkanäle 18, 18.1, 18.2 von Vorteil, da hierdurch besonders gute Strömungseigenschaften der Luft erzielt werden können. Insbesondere entstehen in den diagonal verlaufenden Luftkanälen 18, 18.1, 18.2 lediglich geringe Verwirbelungen und ein geringer Rückstau. Weiterhin können die zu kühlenden Komponenten 9, 10, 36 besonders gut angeströmt werden, wobei nur geringe „Blind-spots“ hinsichtlich der Anströmung vorkommen.
7 zeigt rein beispielhaft einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs 6 mit der elektrischen Maschine 1 nach 1. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Hybridfahrzeug 6. Ein Verbrennungskraftmotor 33 kann dabei mit einem Getriebe 34 gekoppelt werden, sodass ein Drehmoment von einer Ausgangswelle des Verbrennungskraftmotors 33 auf eine Eingangswelle des Getriebes 34 übertragen werden kann. Auf ähnliche Weise kann die elektrische Maschine 1 mit dem Getriebe 34 gekoppelt werden, sodass ein Drehmoment von einer Ausgangswelle der elektrischen Maschine 1 auf eine Eingangswelle des Getriebes 34 übertragen werden kann.
Bei dem Getriebe 34 kann es sich somit um ein Hybridgetriebe handeln, wobei der Verbrennungskraftmotor 33 und/oder die elektrische Maschine 1 mit dem Getriebe 34 gekoppelt werden können. Das Getriebe 34 kann ein Automatikgetriebe sein. Ein Antrieb des Kraftfahrzeugs 6 kann wahlweise über den Verbrennungskraftmotor 33, den elektrischen Motor 1 (d.h. die elektrische Maschine 1 im Motorbetrieb) oder über eine Kombination beider Antriebsaggregate 1, 33 erfolgen. Der rein beispielhafte Antriebsstrang mit dem Getriebe 34 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Parallelhybrid mit P2-Architektur, wobei die elektrische Maschine 1 zwischen dem Verbrennungskraftmotor 33 und dem Getriebe 34 angeordnet ist. Der Verbrennungskraftmotor 33 kann dabei über eine Trennkupplung 35 von der elektrischen Maschine 1 und von dem Getriebe 34 getrennt werden.
8 zeigt ein weiteres Kraftfahrzeug 38, z.B. ein Nutzfahrzeug oder ein Personenkraftfahrwagen (Pkw). Das Kraftfahrzeug 38 weist einen im Folgenden näher erläuterten Antriebstrang 39 auf, der optional einen zuschaltbaren und abschaltbaren Allradantrieb ermöglicht. Der Antriebsstrang 39 umfasst eine Antriebseinheit 40. Die Antriebseinheit 40 umfasst in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen Motor 41, z.B. einen Verbrennungskraftmotor (z.B. den Verbrennungskraftmotor 33 nach 7) oder eine elektrische Maschine 1, wie sie durch 1 gezeigt ist, sowie ein Getriebe 42 (z.B. das Getriebe 34 nach 7). Die Antriebseinheit 40 treibt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel über ein vorderes Differenzialgetriebe 43 zwei Vorderräder 44 und 45 permanent an, die an einer Vorderachse 46 des Kraftfahrzeugs 38 angebracht sind.
Der Antriebsstrang 39 kann alternativ oder zusätzlich zu dem beschriebenen Vorderachsantrieb einen zuschaltbaren und abschaltbaren elektrischen Achsantrieb 47 aufweisen, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine elektrische Maschine 1 nach 1 und ein hinteres Differentialgetriebe 48 umfasst. Der elektrische Achsantrieb 47 kann (wie durch 8 gezeigt) als zentraler Achsantrieb ausgeführt sein und beispielsweise sowohl ein erstes Hinterrad 49 über eine erste Seitenwelle 50 als auch ein zweites Hinterrad 51 über eine zweite Seitenwelle 26 antreiben. Alternativ kann auch die erste Seitenwelle 50 über einen ersten elektrischen Achsantrieb 47 und die zweite Seitenwelle 26 über einen zweiten elektrischen Achsantrieb 47 angetrieben werden, wobei die elektrischen Achsantriebe 47 dann jeweils kein Differentialgetriebe 48 aufweisen müssen.
Bezugszeichenliste

L: Längsachse
r: radiale Richtung
S1: erste Stirnseite elektrische Maschine
S2: zweite Stirnseite elektrische Maschine
U: Umfangsrichtung
x: axiale Richtung
1: elektrische Maschine
2: Stator
3: Rotor
4: Gehäuse
5: Gehäusedeckel
6: Kraftfahrzeug
7: Statorkern
8: Statorkühlbuchsensystem
9: erster Wickelkopf
10: zweiter Wickelkopf
11: erstes Rotorlager
12: zweites Rotorlager
13: erster Wickelkopfraum
14: zweiter Wickelkopfraum
15: innerer Statorkühlbuchse
16: axiale Gehäusebohrung
17: Fluidkanal
18: Luftkanal
18.1: erste Luftkanal
18.2: zweiter Luftkanal
19: Gehäuseteil auf der ersten Stirnseite
20: äußere Statorkühlbuchse
21: Drehrichtung Rotor
22: innere Mantelfläche der äußeren Statorkühlbuchse
23: O-Ring
24: erste Stirnseite der äußeren Statorkühlbuchse
25: erster Rotorraum
26: Seitenwelle
27: zweiter Rotorraum
28: zweite Stirnseite der äußeren Statorkühlbuchse
29.1: erster Steg
29.2: zweiter Steg
29.3: dritter Steg
30: äußere Mantelfläche der äußeren Statorkühlbuchse
31: äußere Mantelfläche der inneren Statorkühlbuchse
32: äußere Umgebung der elektrischen Maschine
33: Verbrennungskraftmotor
34: Getriebe
35: Trennkupplung
36: Rotorwelle
37: Luftkreislauf
38: Kraftfahrzeug
39: Antriebsstrang
40: Antriebseinheit
41: Motor
42: Getriebe
43: vorderes Differentialgetriebe
44: Vorderrad
45: Vorderrad
46: Vorderachse
47: elektrischer Achsantrieb
48: hinteres Differentialgetriebe
49: erstes Hinterrad
50: erste Seitenwelle
51: zweites Hinterrad
52: zweite Seitenwelle
53: Ventilator
54: erster Luftkanal
55: zweiter Luftkanal
56: Rotorluftkanal
57: Wärmetauscher
58: Kühlwasserpumpe
59: FluidKühlwasserkreislauf
60: Zuflussöffnung
61: erste Stirnseite inneren Statorkühlbuchse
62: Abflussöffnung
63: zweite Stirnseite inneren Statorkühlbuchse
64: Fluidabfuhrkanal
65: Fluidleitung
66: Fluidversorgungskanal
67: Fluidverteilerelement
68: Fluideingang des Fluidverteilerelements
69: Umlenkkanal
70: Fluidausgang
71: Anschlagselement innere Statorkühlbuchse
72: Gegenanschlag Gehäuse
73: Nut
74: Dichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005000642 A1 [0002]

Claims

Elektrische Maschine (1) zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs (6, 38), die elektrische Maschine (1) umfassend - einen Stator (2) mit einem Statorkern (7), - ein Statorkühlbuchsensystem (8) und - ein Gehäuse (4), wobei - das Statorkühlbuchsensystem (8) den Statorkern (7) in einer radialen Richtung (r) der elektrischen Maschine (1) außen umgibt, - das Gehäuse (4) das Statorkühlbuchsensystem (8) in der radialen Richtung (r) der elektrischen Maschine (1) außen umgibt, - das Statorkühlbuchsensystem (8) einen Fluidkanal (17) bildet, der innerhalb des Statorkühlbuchsensystems (8) angeordnet ist, - ein Fluid durch den Fluidkanal (17) fließt und dabei Wärme von dem Statorkern (7) aufnimmt, - das Statorkühlbuchsensystem (8) wenigstens einen Luftkanal (18, 18.1, 18.2) bildet, der getrennt von dem Fluidkanal (17) zwischen dem Statorkühlbuchsensystem (8) und dem Gehäuse (4) angeordnet ist, - Luft durch den wenigstens einen Luftkanal (18, 18.1, 18.2) strömt, wobei die Luft zuvor Wärme von zu kühlenden Komponenten (9, 10, 36) der elektrischen Maschine (1) aufgenommen hat, - der Fluidkanal (17) eine Zuflussöffnung (60) auf einer ersten Stirnseite (61) des Statorkühlbuchsensystems (8) aufweist, wobei das Fluid über die Zuflussöffnung (60) in den Fluidkanal (17) eintritt, - das Fluid, das durch den Fluidkanal (17) fließt, Wärme von der Luft aufnimmt, die durch den wenigstens einen Luftkanal (18, 18.1, 18.2) strömt, und - der Fluidkanal (17) wenigstens eine Abflussöffnung (62) auf einer der ersten Stirnseite (61) abgewandten zweiten Stirnseite (63) des Statorkühlbuchsensystems (8) aufweist, wobei das Fluid über die Abflussöffnung (62) aus dem Fluidkanal (17) abfließt.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, wobei - das Statorkühlbuchsensystem (8) zweiteilig aufgebaut ist und eine innere Statorkühlbuchse (15) sowie eine äußere Statorkühlbuchse (20) umfasst, - die innere Statorkühlbuchse (15) den Statorkern (7) in der radialen Richtung (r) der elektrischen Maschine (1) außen umgibt, - die äußere Statorkühlbuchse (20) die innere Statorkühlbuchse (15) in der radialen Richtung (r) der elektrischen Maschine (1) außen umgibt, - das Gehäuse (4) die äußere Statorkühlbuchse (20) in der radialen Richtung (r) der elektrischen Maschine (1) außen umgibt, - die innere Statorkühlbuchse (15) den Fluidkanal (17) mit der Zuflussöffnung (60) und der wenigstens einen Abflussöffnung (62) bildet, und - die äußere Statorkühlbuchse (20) den wenigstens einen Luftkanal (18, 18.1, 18.2) bildet.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Fluidkanal (17) spiralförmig oder mäanderförmig verläuft.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei - die Zuflussöffnung (60) derart geformt ist, dass das Fluid in einer axialen Richtung (x) der elektrischen Maschine (1) in den Fluidkanal (17) eintritt, - die wenigstens eine Abflussöffnung (62) derart geformt ist, dass das Fluid in der axialen Richtung (x) der elektrischen Maschine (1) aus dem Fluidkanal (17) austritt.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 4, wobei - das Gehäuse (4) einen Fluidversorgungskanal (66) formt, über welchen der elektrischen Maschine (1) das Fluid zugeführt wird, - der Fluidversorgungskanal (66) in der radialen Richtung (r) durch das Gehäuse (4) verläuft, und - der Fluidversorgungskanal (66) mit der Zuflussöffnung (60) verbunden ist, sodass das Fluid aus dem Fluidversorgungskanal (66) in die Zuflussöffnung (60) fließt.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 5, die elektrische Maschine (1) umfassend ein Fluidverteilerelement (67), wobei - der Fluidversorgungskanal (66) mit dem Fluidverteilerelement (67) verbunden ist, sodass das Fluid aus dem Fluidversorgungskanal (66) in das Fluidverteilerelement (67) fließt, - das Fluidverteilerelement (66) mit der Zuflussöffnung (60) verbunden ist, sodass das Fluid aus dem Fluidverteilerelement (66) in die Zuflussöffnung (60) fließt, und - Das Fluidverteilerelement (66) einen Umlenkkanal (69) formt, sodass das Fluid innerhalb des Fluidverteilerelements (66) von der radialen Richtung (r) in die axiale Richtung (x) umgelenkt wird, bevor es in die Zuflussöffnung (60) fließt.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch wobei - das Gehäuse (4) wenigstens einen Fluidabfuhrkanal (64) formt, über welchen das Fluid aus der elektrischen Maschine (1) abgeführt wird, - der Fluidabfuhrkanal (64) in der axialen Richtung (x) durch das Gehäuse (4) verläuft, - der Fluidabfuhrkanal (64) mit der Abflussöffnung (62) verbunden ist, sodass das Fluid aus der Abflussöffnung (62) in den Fluidabfuhrkanal (64) fließt.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 7, wobei - die innere Statorkühlbuchse (15) mehrere Anschlagselemente (71) formt, welche in der axialen Richtung (x) einen stirnseitigen Abschluss des Statorkühlbuchsensystems (8) bilden, - die Anschlagselemente (71) an wenigstens einem korrespondierenden Anschlag (72) des Gehäuses (4) anliegen, sodass das Gehäuse (4) und das Statorkühlbuchsensystem (8) zueinander ausgerichtet sind.
Kühlwasserkreislauf (59) umfassend - eine elektrische Maschine (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, - einen Wärmetauscher (57) und - eine Kühlwasserpumpe (58), wobei - der Wärmetauscher (57) und die Kühlwasserpumpe (58) außerhalb der elektrischen Maschine (1) angeordnet sind, - der Wärmetauscher (57) dazu eingerichtet ist, aus dem Fluidkanal (17) kommendes Fluid abzukühlen, - die Kühlwasserpumpe (58) dazu eingerichtet ist, Fluid innerhalb des Kühlwasserkreislaufs (59) zu fördern, sodass es zwischen dem Fluidkanal (17) und dem Wärmetauscher (57) zirkuliert.
Kraftfahrzeug (6, 38) umfassend - eine elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder - einen Kühlwasserkreislauf (59) nach Anspruch 9 sowie - einen elektrischen Achsantrieb (47), der von der elektrischen Maschine (1) angetrieben wird.