DE102022107965A1

DE102022107965A1 - Stator und Verfahren zu dessen Kühlung sowie elektrische Maschine und Kraftfahrzeug mit einem solchen Stator

Info

Publication number: DE102022107965A1
Application number: DE102022107965.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Gottlieb
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-04-04
Filing date: 2022-04-04
Publication date: 2023-10-05

Abstract

Die Erfindung stellt einen Stator für eine elektrische Maschine mit den folgenden Merkmalen bereit: Der Stator (20) ist dazu eingerichtet, von einem ersten Strom (A) und einem zweiten Strom (B) eines Kühlmittels durchflossen zu werden und die Ströme (A, B) sind einander entgegengerichtet.
Die Erfindung stellt ferner eine entsprechende Maschine, ein entsprechendes Kraftfahrzeug sowie ein entsprechendes Kühlverfahren bereit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine (fachsprachlich: E-Maschine). Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Maschine, ein entsprechendes Kraftfahrzeug sowie ein entsprechendes Kühlverfahren.
Elektrische Fahrzeuge werden mittels Elektromotoren angetrieben, in denen Verluste entstehen. Diese Verluste führen zu einer Erwärmung der Komponenten, die einer maximal zulässigen Grenztemperatur unterliegen. Wird diese Grenztemperatur erreicht, muss die elektrische Leistung reduziert werden, um ein weiteres Aufheizen zu vermeiden und ein damit verbundenes Beschädigen von Komponenten zu verhindern. Um diese Leistungsherabsetzung (derating) zu verschieben, kommen unterschiedlichste Kühlkonzepte zum Einsatz, die teils anderweitige Baugruppen einbeziehen.
Eine batterieelektrische Sportlimousine nach dem Stand der Technik beispielsweise weist zur Wärmeabfuhr hinter der Frontschürze angeordnete Kühler, elektronische Lüfter und regelbare Pumpen auf. Zur bedarfsgerechten Temperierung des als Kühlmittel eingesetzten Wassers ist eine entsprechende Peripherie vorgesehen. Die Kühlkreisläufe für Batterie, Antrieb und Klimatisierung der Kabine arbeiten auf unterschiedlichen Temperaturniveaus um 40, 65 und 90 °C, wobei ein Wärmetauscher den Kreislauf des Kühlsystems mit dem Kreislauf der Klimaanlage verbindet und der Antrieb das höchste Temperaturniveau aufweist, der Batteriekreislauf das niedrigste. Zur Kühlung des Stators der permanenterregten Synchronmaschine (PSM) ist ein Wassermantel vorgesehen.
Von einem batterieelektrischen Rennfahrzeug nach dem Stand der Technik ist eine weiterentwickelte PSM mit Öldirektkühlung des Stators bekannt, welche Spitzen- und Dauerleistung sowie Effizienz des Antriebes steigert. Um mehr Wärme unmittelbar an der Quelle abzuführen, wird das dielektrische Kühlöl hier über den Wickelkopf, durch die Nuten entlang der Leiter und über den anderen Wickelkopf des Stators aus diesem hinausgeleitet. Eine Abdichtung schützt dabei den Rotorraum vor dem Eindringen des durch den Stator zirkulierenden Öles, welches durch einen Öl-Wasser-Wärmetauscher gekühlt wird.
Das dielektrische Fluid strömt hierbei stets am gleichen Axialende in die Statornuten ein und am anderen Axialende aus den Statornuten aus. Die Durchströmung der Statornuten vom ersten Axialende zum zweiten Axialende verursacht eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in axialer Richtung, wobei am ersten Axialende eine höhere Kühlung als am zweiten Axialende erfolgt. Problematisch ist, dass für das Derating die heißeste Stelle am zweiten Axialende ausschlaggebend ist.
Dieses bekannte Konzept zur direkten Kühlung von E-Maschinen-Statoren, also die Durchströmung von einer Seite zur anderen, führt somit zu axialen Temperaturunterschieden („kalte“ und „heiße“ Seite). Der wärmste Punkt in der Wicklung bestimmt die maximale mögliche Leistung. Eine derart ungleichmäßige Erwärmung der E-Maschine ist daher nachteilig.
Dieses Problem wird dadurch verschärft, dass die Temperaturregelung der E-Maschine im Betrieb über einen Temperatursensor am Wickelkopf erfolgt. Dies ist oft nicht die heißeste Stelle der Wicklung. Teilweise ist der Sensor sogar auf der kühleren Seite angebracht. Um dennoch auf die höchste Temperatur der Wicklung schließen zu können, werden Temperaturmodelle verwendet. Je weiter die Lage des Sensors von der heißesten Stelle der Wicklung entfernt ist, desto aufwendiger und ungenauer sind diese Modelle.
Schließlich ist zu bemerken, dass bei der konventionellen Direktkühlung auch die Rotorlager ungleichmäßig erwärmt werden. Dies kann zu zusätzlichen Spannungen führen, was sich z. B. auf die Lebensdauer oder die Akustik der Lager auswirken kann.
US 8161643 B2 offenbart einen Kühlmantel für einen Elektromotor, wobei der Kühlmantel einen mäanderförmigen Kühlkanal aufweist, und wobei der Kühlkanal bidirektional durchströmt ist.
EP 3 913 769 A1 offenbart einen Elektromotor für ein Elektrofahrzeug, wobei der Elektromotor ein Gehäuse und einen in dem Gehäuse fest angeordneten Stator aufweist, und wobei ein zwischen dem Gehäuse und dem Stator ausgebildeter Kühlmittelpfad in der Mitte beginnt und sich ausgehend von der Mitte zu den beiden Axialenden des Elektromotors erstreckt.
DE 10 2019 108 436 B4 offenbart eine in dem Stator angeordnete Kühlvorrichtung, wobei die Kühlvorrichtung einen mäanderförmigen Kühlkanal aufweist, wobei der Kühlkanal bidirektional durchströmt ist.
CN 107276266 B offenbart einen Elektromotor mit einem Stator, wobei zur Kühlung des Stators ein Kühlmittel mittig in den Stator eingeleitet wird und zu den beiden Axialende strömt.
EP 2 940 835 B1 offenbart einen Elektromotor mit einem Gehäuse, wobei das Gehäuse einen mäanderförmigen, den Stator radial umgebenden Kühlkanal aufweist.
Die Erfindung stellt einen Stator für eine elektrische Maschine, eine entsprechende elektrische Maschine, ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Maschine sowie ein entsprechendes Verfahren zum Kühlen eines Stators gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
Ein Vorzug dieser bidirektionalen Direktkühlung liegt im verbesserten Kühlverhalten der E-Maschine, was wahlweise eine kompaktere Bauweise ohne Leistungseinbußen oder aber eine Leistungssteigerung auf gleichem Bauraum ermöglicht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. So können die Zuläufe für die beiden Kühlmittelströme an gegenüberliegenden Seiten des hohlzylindrischen Stator-Gehäuses in dessen stirnseitige Kammern für die Wickelköpfe münden, um den Stator in beide Axialrichtungen zu durchströmen. Im Gegensatz zur konventionellen Direktkühlung des Stators wird bei dieser Form der bidirektionalen Direktkühlung somit beiden Kammern kühles Kühlmedium zugeführt. Dies führt zu einer homogenen Temperaturverteilung und sehr gleichmäßigen Erwärmung der E-Maschine in axialer Richtung ohne - im obigen Sinne - heiße und kalte Seiten und verbessert die Kühlung beider Wickelköpfe, da auf beiden Seiten mit kühlem Medium gekühlt wird. Weil somit Sensor-Messwert und Maximaltemperatur der Wicklungen nahe beieinander liegen, erleichtert diese Art der Kühlung auch eine genaue Temperaturmessung und die Nutzung entsprechend exakterer Regelungsmodelle zur Vorhersage der Stator-Temperatur. Schließlich minimiert die gleichmäßige axiale Erwärmung der E-Maschine etwaige Thermospannungen, die andernfalls die Festigkeit und Lebensdauer ihrer Komponenten beeinträchtigen könnten, und verbessert somit die mechanischen Eigenschaften der Vorrichtung.
Ferner kann die Verwendung zweier von Ringkanälen durchzogener Stirnscheiben zum gezielten Verschluss der Hälfte der Nuten bzw. zum Abführen des Kühlmittels aus der E-Maschine auf deren gegenüberliegender Seite vorgesehen sein. Auf diesem Wege werden die Stator-Nuten gleichsam in zwei Gruppen derart aufgeteilt, dass eine erste Gruppe der Stator-Nuten vom ersten Strom des Fluids und eine zweite Gruppe der Stator-Nuten vom zweiten Strom des Fluids durchströmt wird. Die Fluidversorgung der beiden Gruppen der Stator-Nuten erfolgt auch in diesem Fall über die separaten Fluideinlässe. Das Kühlmittel wird den hohlzylindrischen Kammern hierbei vorzugsweise tangential über die jeweils darin mündenden Zuläufe zu gleichen Teilen zugeführt, sodass die Nuten je zur Hälfte durch den ersten Strom und zweiten Strom gekühlt werden, bevor das aus den Nuten austretende Kühlmittel durch die Ringkanäle unmittelbar aus dem Stator abgeführt wird. Durch diese besonders zweckmäßige Zuführung tangential zur jeweiligen Kammer kann in letzterer eine Rotationsströmung erzeugt werden, welche das Kühlverhalten auf beiden Seiten optimiert.
Besondere Vorteile bietet ein erfindungsgemäßer Stator in Verbindung mit einer elektrischen Maschine in Gestalt eines sogenannten Innenläufers. Mechanische Spannungen, welche sich auf die Lebensdauer oder die Akustik der Rotorlager auswirken könnten, werden hier durch die bidirektionale Direktkühlung des Stators minimiert, da sich auch die beiderseitigen Lager gleichmäßig erwärmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

1 zeigt eine Direktkühlung nach dem Stand der Technik.
2 zeigt die schematische Darstellung eines bidirektional durchströmten Stators samt Gehäuse.
3 zeigt eine exemplarische Ausführung mit Stirnscheiben.

Ein dem Stand der Technik entnommenes Konzept zur Direktkühlung des Stators ist auf 1 skizziert. Ein spezielles Kühlmedium mit dielektrischen Eigenschaften wird dabei auf einer Seite der E-Maschine (10) einer Kammer mit Überdruck zugeführt. Die Kammer dient dazu, den Wickelkopf zu kühlen.
Die Nuten (11) des Blechschnittes, in dem sich die Leiter befinden, sind so ausgeführt, dass sich zwischen Leitern, Isolationspapier (liner, 14) und Nuten (11) ein Spalt ergibt, durch den das Kühlmittel (12) fließt.
Das Kühlmittel (12) fließt also von der Kammer auf der einen Seite der Maschine (10) durch die Nuten (11) zur Kammer auf der anderen Seite. In jeder Nut (11) nimmt das Kühlmedium Wärme auf, die durch Verluste in den Leitern entstehen, und kühlt somit den Stator (20) von innen. Der stromabwärts der jeweiligen Nut (11) gelegene Wickelkopf wird ebenfalls gekühlt, bevor das Kühlmittel (12) aus der E-Maschine (10) austritt.
Durch die Direktkühlung kann eine höhere Leistungsdichte erzielt werden als bei einer indirekten Kühlung. Es kann also bei gleichen Abmessungen mehr Leistung abgerufen werden, oder es können kleinere und leichtere Antriebsmotoren verwendet werden.
Durch das axiale Durchströmen der Nuten (11) im Blechschnitt ergibt sich eine axiale Temperaturverteilung von der abbildungsgemäß linken, stromaufwärts der Nuten (11) gelegenen Seite (kalte Seite) zur abbildungsgemäß rechten, stromabwärts der Nuten (11) gelegenen Seite (heiße Seite). Somit werden auch die beiderseitigen Wickelköpfe unterschiedlich stark gekühlt, da das Kühlmedium in beiden Kammern unterschiedliche Temperaturen hat.
2 illustriert die Idee zweier einander entgegengerichteter Kühlmittelströme (A, B). Zur bidirektionalen (gegenläufigen) Direktkühlung der Wicklungen (25) strömt das Kühlmedium vorliegend nicht von einer Seite zur anderen, sondern wird beiden Seiten zu gleichen Teilen über separate Zuläufe zugeführt.
Dies wird vorliegend über Stirnscheiben (23) realisiert, die so ausgeführt sind, dass nur die Hälfte der Nuten im Blechpaket (24) durchströmt werden kann. Die andere Hälfte bleibt verschlossen und wird von der anderen Seite durchströmt und damit gekühlt. Die Hälfte der Nuten des Stators (20) wird somit vom ersten Strom (A), die andere Hälfte vom zweiten Strom (B) des Kühlmittels durchflossen.
Die Stirnscheiben (13, 23) sind zu diesem Zweck bezüglich des Blechpaketes (24) so geformt, dass aus dessen Nuten austretendes Fluid direkt abgeführt wird. Dies wird in der abgebildeten Ausführungsform durch einen Ringkanal (22) und einen separaten Abfluss für jede Seite umgesetzt werden. Das Gehäuse (21) des Stators (20) verfügt entsprechend über zwei Zu- und zwei Abläufe, welche einander bezüglich des Gehäuses (21) jeweils gegenüberliegen.
3 verdeutlicht das Funktionsverhalten der Stirnscheiben (23). Diese sind erkennbar derart beschaffen, dass jeder der Ströme (A, B) durch andere Nuten des Blechpaketes (24) fließt. Ferner nehmen sie den aus letzteren austretenden Massenstrom zum Beispiel über eine Ringnut auf und führen ihn aus dem Stator (20) heraus.
Hierzu sind seitens der abbildungsgemäß linken Stirnscheibe (23) fünf Abdichtungen (26) für den ersten Strom (A) und seitens der abbildungsgemäß rechten Stirnscheibe (23) fünf Abdichtungen (27) für den zweiten Strom (B) vorgesehen. Die beiderseitigen Abdichtungen (26 bzw. 27) sind dabei derart in regelmäßigen Winkelabständen über die jeweilige Stirnscheibe (23) verteilt, dass jede der Kupferwicklungen (25) genau eine der beiden Stirnscheiben (23) an einer abgedichteten, die andere Stirnscheibe indes an einer auch für das Kühlmittel vollständig durchlässigen Durchtrittsstelle durchtritt.
Es sei bemerkt, dass die Abdichtungen (26, 27) nicht vollständig fluiddicht ausgeführt sein müssen. Geringfügige Leckage beeinflusst das Funktionsprinzip nur minimal. Die Stirnscheiben (23) könnten somit zum Beispiel im Spritzgussverfahren hergestellt werden.
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

US 8161643 B2 [0009]
EP 3913769 A1 [0010]
DE 102019108436 B4 [0011]
CN 107276266 B [0012]
EP 2940835 B1 [0013]

Claims

Stator (20) für eine elektrische Maschine (10), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Stator (20) ist dazu eingerichtet, von einem ersten Strom (A) und einem zweiten Strom (B) eines Kühlmittels (12) durchflossen zu werden und - die Ströme (A, B) sind einander entgegengerichtet.
Stator (20) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Stator (20) weist ein hohlzylindrisches Gehäuse (21) mit zwei stirnseitigen Kammern und jeweils einem Zulauf für den ersten Strom (A) und zweiten Strom (B) auf und - die Zuläufe sind einander gegenüberliegend am Gehäuse (21) angeordnet und münden jeweils in eine der Kammern.
Stator (20) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Stator (20) weist zwei innenseitig jeweils von einem Ringkanal (22) umlaufene Stirnscheiben (13, 23) auf und - die Zuläufe sind fluidtechnisch derart mit den Stirnscheiben (13, 23) verbunden, dass jeder der Ströme (A, B) stromabwärts seines Zulaufes durch einen der Ringkanäle (22) führt.
Stator (20) nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Stator (20) weist ein die Stirnscheiben (13, 23) tragendes, genutetes Blechpaket (24) auf und - die Stirnscheiben (13, 23) sind fluidtechnisch derart mit dem Blechpaket (24) verbunden, dass jeder der Ströme (A, B) durch andere Nuten (11) des Blechpaketes (24) führt.
Stator (20) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Stator (20) enthält mehrere die Nuten (11) durchziehende Kupferwicklungen (25), welche an über die beiderseitigen Stirnscheiben (13, 23) verteilten Durchtrittsstellen in Verlängerung der Nuten (11) in die jenseitigen Kammern austreten, - einzelne der Durchtrittsstellen sind für eine Abdichtung (26, 27) der jeweils angrenzenden Kammer gegen das durch die jeweilige Nut (11) strömende Kühlmittel (12) eingerichtet und - die Abdichtungen (26, 27) sind derart an den Stirnscheiben (13, 23) angeordnet, dass jede der Kupferwicklungen (25) genau eine der beiden Stirnscheiben (13, 23) an einer abgedichteten Durchtrittsstelle durchtritt.
Stator (20) nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Nuten (11) münden in eine Innenfläche des Stators (20) und - der Stator (20) weist an der Innenfläche eine mit einem Stützring versehene Dichtung (15) auf.
Elektrische Maschine (10), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - einen Stator (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, - einen koaxial im Stator (20) angeordneten Rotor (16, 18) und - zwei den Rotor (16, 18) drehbar innerhalb des Stators (20) führende Lager (17).
Maschine (10) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Rotor (16, 18) weist eine gebaute Welle (16) mit einem Innenrohr (18) auf und - die Maschine (10) umfasst eine drehstarr mit dem Stator (20) verbundene, in das Innenrohr (18) mündende Düse (19) zum Schmieren der Welle (16).
Kraftfahrzeug mit einer Maschine (10) nach Anspruch 8.
Verfahren zum Kühlen eines Stators (20) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - das Kühlmittel (12) wird den Kammern tangential über die jeweils darin mündenden Zuläufe zu gleichen Teilen zugeführt, sodass die Nuten (11) hälftig durch den ersten Strom (A) und zweiten Strom (B) gekühlt werden, und - das aus den Nuten (11) austretende Kühlmittel (12) wird durch die Ringkanäle (22) unmittelbar aus dem Stator (20) abgeführt.