Kühlmantel für Elektromotor

Beschreibung

Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft einen Kühlmantel zur Kühlung eines Elektromotors mit einem Kühlmitteleinlass, einem Kühlmittelauslass und einer wendelartigen Leitung, wobei die wendelartige Leitung dazu vorgesehen ist, den zu kühlenden Elektromotor zumindest teilweise zu umfassen und ein Kühlmittel vom Kühlmitteleinlass zum Kühlmittelauslass zu leiten.

Stand der Technik Hintergrund der Erfindung Aus DE 10 2005 052 364 A1 ist ein Elektromotor bekannt, an dessen Stator eine wendelartige Leitung zum Transport eines Kühlmittels ausgebildet ist. Die Kühlmittelleitungen werden durch ein Gehäuse und an dessen Außenseiten parallel zur Längsachse des Elektromotors spiralförmig verlaufenden Vorsprung, als auch durch einen becherförmigen Deckel ausgebildet. Der Zufluss und der Auslass der Kühlleitungen sind in den becherförmigen Deckel eingebracht, womit axial beidseitig Verbindungen zur Kühlmittelleitung hergestellt werden müssen.

Daran ist problematisch, dass bei Radnabenmotoren, aber auch bei anderen Elektromotoren, wie zum Beispiel bei Zentralantrieben, nachteiligerweise die lokale Kühlung begrenzt ist. Wenn man den Temperaturgradienten der wendelartigen Leitung zum Elektromotor hin betrachtet, so erkennt man, dass der Temperaturgradient in Flussrichtung entlang der wendelartigen Leitung ab- nimmt. Somit ist die Kühlleistung in der Nähe des Kühlmitteleinlass stets deutlich besser, als in der Nähe des Auslasses, wo das Kühlmittel bereits eine größere Wärmemenge aufgenommen und eine höhere Temperatur erlangt hat. Aus diesem Grund ist eine Kühlung basierend auf einer derartigen wendelarti- gen Leitung sehr unflexibel, wenn lokal vorgegebene Kühlleistungen erzielt werden müssen.

Aufgabenstellung Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist daher die Kühlleistung eines auf einer wendelartigen Leitung basierenden Kühlmantels hinsichtlich des Temperaturgradienten zu optimieren, das heißt, möglichst unabhängig von der bereits durch das Kühlmittel aufgenommenen Wärme eine erforderliche Kühlleistung zu erzielen.

Die Aufgabe wird durch eine Radlagereinheit der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein Durchflussquerschnitt der wendelartigen Leitung zumindest auf einem Teilstück der wendelartige Leitung im Fließrichtung des Kühlmittels veränderlich ist.

Der Durchflussquerschnitt ist die Fläche, auf der die Flussrichtung senkrecht steht und die durch die Leitung umfänglich begrenzt wird. Bei einem hohlzylindrischen Kühlmantel mit einer spiralförmigen Leitung, als Sonderfall einer wendelartigen Leitung, liegt der Durchflussquerschnitt eines Teilstücks der Leitung in der Radialebene, in der auch die Wendelachse liegt, zu der der in diesem Fall hohlzylindrische Kühlmantel konzentrisch angeordnet ist.

Eine wendelartige Leitung ist ein Hohlleiter für eine Flüssigkeit, der sich um eine Wendelachse windet. Idealerweise wird die wendelartige Leitung hauptsächlich durch einen hohlzylindrischen Kühlmantel gebildet, der in radialer Richtung rillenartige Ausnehmungen aufweist, die zumindest teilweise die wendelartige Leitung bilden. In Kombination mit einem Deckel, oder einem anderen Bauteil, wird die wendelartige Leitung zum Hohlleiter vervollständigt, indem die rillenartigen Ausnehmungen radial abgedeckt werden. In der Regel ist der Elektromotor innerhalb der wendelartigen Leitung angeordnet, beziehungsweise wird zumindest teilweise von dieser umfasst. Entsprechendes gilt für den Kühlmantel selbst. Die wendelartige Leitung weist einen Kühlmitteleinlass und einem Kühlmittelauslass auf, wodurch auch die Flussrichtung des Kühlmittels, nämlich vom Kühlmitteleinlass zum Kühlmittelauslass, festgelegt ist.

Ein Teilstück der wendelartigen Leitung kann von zwei beliebigen Punkten in der wendelartige Leitung gewählt werden. Eine sinnvolle Einteilung der Teilstücke kann anhand vollständiger umfänglicher Umläufe gewählt werden. So könn- te beispielsweise ein Teilstück durch genau einen oder mehrere umfängliche Läufe des Kühlmittels festgelegt werden. Auf diese Weise ist die wendelartige Leitung in eine bestimmte Anzahl von Teilstücken unterteilbar.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich der Durchflussquerschnitt der wen- delartige Leitung zumindest innerhalb eines solchen Teilstücks kontinuierlich ändert. Eine Änderung des Durchflussquerschnittes kann beispielsweise durch eine Änderung der axialen Breite hervorgerufen werden, wobei die radiale Dicke der wendelartigen Leitung konstant bleibt. Da der Wärmefluss vom Elektromotor in den wärmeleitungsmäßig angekoppelten Kühlmantel in radialer Richtung stattfindet, bietet eine axial verbreitete wendelartige Leitung eine größere Wärmeaufnahmefläche. Ist bekannt, dass in einem bestimmten Teilstück die Temperatur des Kühlmittels bereits auf einer im Vergleich zur Eingangstemperatur hohen Wert angestiegen ist, so kann die wendelartige Leitung in diesem Teilstück der Art verbreitert werden, dass die Wärme nunmehr auf eine größere Kühlmittelmenge übertragen werden kann, die innerhalb der wendelartigen Leitung in Umfangsrichtung weitergeführt wird. Dadurch kann der in diesem Teilstück vorherrschende niedrige Temperaturgradient zwischen Elektromotor und dem Teilstück durch eine größere Menge an Kühlmittel kompensiert werden. Ein Temperaturgradient ist die Temperaturdifferenz im Verhältnis zu einem dazu korrespondierenden Abstand. Unter dem korrespondierenden Abstand wird die Entfernung von der Wärmequelle bis zum korrespondierenden Teilstück der wendelartigen Leitung verstanden, wobei die Temperaturdifferenz aus der Temperatur der Wärmequelle und der lokalen Temperatur des Kühlmittels im Teilstück der wendelartige Leitung gebildet wird.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform bildet die wendelartige Leitung im we- sentlichen eine Kühlspirale, die konzentrisch zu einer Wendelachse anordenbar ist. Die Grundfläche des Kühlmantels, beziehungsweise der wendelartigen Leitung muss nicht notwendigerweise kreisrund sein, sondern kann auch elliptisch oder nahezu quadratisch sein, jedoch bietet sich eine kreisförmige Grundfläche an, da eine spiralförmige Ausbildung der wendelartige Leitung aufgrund des hohen Symmetriegrades leicht herzustellen ist und platzsparend wirkt.

Vorteilhafterweise ist der Kühlmantel mittels eines hohlzylindrischen oder becherartigen Deckels abdeckbar, wobei der Deckel zumindest teilweise die wendelartige Leitung, insbesondere in radialer Richtung, bezogen auf die Wen- delachse, begrenzt. Eine derartige Form des Deckel ermöglicht einfache Formen und eine geringe Bauteilanzahl, die wiederum niedrige Herstellungskosten ermöglicht. Vorteilhaft ist insbesondere, wenn der Deckel mehrere Teilstücke der wendelartigen Leitung gleichermaßen begrenzen kann. Vorteilhafterweise ist wenigstens der Kühlmitteleinlass oder der Kühlmittelaus- lass an einer axialen Seite des Kühlmantels angeordnet. Der Kühlmantel hat zwei axiale Seiten, die in Richtung der Wendelachse eine Öffnung ausbilden. Vorteilhafterweise sind der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass an der gleichen axialen Seite angeordnet, so dass eine Zuführung von Kühlmittel, zum Beispiel per Schlauch, nur von einer Seite erfolgen muss.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform erstreckt sich das Teilstück vom Kühlmitteleinlass bis zum Kühlmittelauslass. Damit ist gemeint, dass sich die Ände- rungen des Durchflussquerschnittes in der gleichen Art und Weise vom Kühlmit- teleinlass bis zum Kühlmittelauslass ändern kann. Beispielsweise erweitert sich die axiale Breite der wendelartige Leitung pro Umlauf um einen festen Wert. Beispielsweise bei einem rechteckigen Durchflussquerschnitt mit einer radialen Dicke von 5 Millimetern und einer axialen Breite von 5 Millimetern am Kühlmit- teleinlass und einer axialen Verbreiterung der wendelartige Leitung pro Umlauf von 1 Millimeter führt nach 30 Umläufen im Kühlmantel zu einem Durchflussquerschnitts des Kühlmittelauslass von gleich bleibenden 5 Millimetern radialer Dicke und 35 Millimetern axialer Breite.

Vorteilhafterweise ändert sich der Durchflussquerschnitt des Teilstücks im Fließrichtung kontinuierlich. Da normalerweise die Aufnahme der Wärmemenge nicht schlagartig eintritt, sondern sich kontinuierlich in Kühlmittel niederschlägt, ist es auch sinnvoll die Änderungen des Durchflussquerschnittes entsprechend des Wärmemengenzuwachses im Kühlmittel kontinuierlich auszubilden. Eine Abweichung von der kontinuierlichen Änderungen ist dann gegeben, wenn der Elektromotor nicht als homogene Wärmequelle anzusehen ist, sondern mehrere Stellen aufweist, die im Betrieb unterschiedliche Temperaturen aufweisen. In diesem Fall kann der Durchflussquerschnitt gemäß den zu erwartenden Tempe- raturen dahingehend angepasst werden, dass bei höheren Temperaturen auch eine größere Kühlmittelmenge zur Wärmeaufnahme zur Verfügung steht.

Vorteilhafterweise ändert sich der Durchflussquerschnitt des Teilstücks im Fließrichtung sprunghaft, wenn beispielsweise eine bessere Durchmischung des Kühlmittels erreicht werden soll, oder eine besonders heiße Stelle des E- lektromotor gekühlt werden muss. Entsprechend den Temperaturverhältnissen innerhalb des Kühlmantels ist der Durchflussquerschnitt des Teilstücks im Fließrichtung größer oder kleiner auszulegen. Vorteilhafterweise weist die wendelartige Leitung zwei oder mehrere Teilstücke mit dem Fließrichtung veränderlichem Durchflussquerschnitt auf. Es kann durchaus sein, dass Teilstücke der wendelartigen Leitung keine kühlende Funktion haben, sondern nur das Kühlmittel an andere Teilstücke weiterleiten, die zu einer Kühlung vorgesehen sind. In den nicht kühlenden Teilstücken sind Durchflussquerschnittänderungen zur Kühlungsoptimierung nicht erforderlich, können aber zur Verminderung des Kühlmitteldrucks dennoch variieren. Beispielsweise lässt sich ein erfindungsgemäßer Kühlmantel in einem Radnabenmotor einsetzen, da diese Elektromotoren aufgrund ihrer Symmetrieverhältnisse zylindrische Form aufweisen. Aber auch in Verbindung mit anderen Elektromotoren, deren Stator oft für eine zylindrische Außenform sorgen, ist der erfindungsgemäße Kühlmantel einsetzbar. Entsprechendes gilt auch beispiels- weise bei Zentralantrieben, die dazu vorgesehen sind in Fahrzeugen mehrere Räder anzutreiben, wobei gegebenenfalls ein Getriebe zwischen Rad und dem als Zentralantrieb ausgeführten Elektromotor zwischengeschaltet ist.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfin- dung sind der Figurenbeschreibung und/oder den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kühlmantels, und n zweites Ausführungsbeispiel eines Kühlmantels.

Ausführungsbeispiel Beschreibung der Zeichnungen Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kühlmantels 20, in welchem ein Elektromotor oder einen Teil eines solchen angeordnet werden kann. Für eine optimale Kühlung des (nicht abgebildeten) Elektromotors durch den Kühlmantel 20 ist es erforderlich, dass für eine optimale Wärmeleitung vom Elekt- romotor, radial von der Wendelachse S nach außen in die Innenfläche des hohlzylindrischen Kühlmantels 20 eine entsprechende Wärmekopplung vorgesehen wird, die beispielsweise Luftspalte oder ähnlich schlecht leitende Zonen vermeidet. Der Kühlmitteleinlass 21 weist den kleinsten Durchflussquerschnitt der wendelartige Leitung 23 auf, die mit dem Kühlmittelauslass 22 endet und in diesem Ausführungsbeispiel als spiralförmige Leitung 23 ausgebildet ist. Der Kühlmittelauslass 22 weist den größten Durchflussquerschnitt auf. Der Kühlmantel 20 ist für einen Elektromotor vorgesehen, der in axialer Richtung entlang der Wen- delachse S eine im wesentlichen homogene Wärmeabgabe aufweist. Die Temperatur des Kühlmittels ist am Kühlmitteleinlass 21 am geringsten und nimmt im gleichen Maße wie die Breite des Durchflussquerschnittes zunimmt, ebenfalls zu. Durch die größere axiale Breite kann der Temperaturgradient, der am Kühlmitteleinlass 21 am größten und am Kühlmittelauslass 22 am kleinsten ist, kompensiert werden.

Die Kühlfunktion kann weiter optimiert werden, indem die axialen Abstände der Teilstücke der wendelartigen Leitung 23 voneinander entsprechend gewählt werden. Beispielsweise ist es denkbar, dass im Bereich des Kühlmitteleinlasses 21 die Teilstücke weiter voneinander axial beabstandet sind, als in der Nähe des Kühlmittelauslasses 22. Damit vermindert sich die Kühlleistung in der Nähe des Kühlmitteleinlasses 21 im Vergleich zur Kühlleistung in der Nähe des Kühlmittelauslasses 22 und kann weiterhin die unterschiedlichen Temperaturgradienten kompensieren. Das Ergebnis ist eine über die gesamte Kühlstrecke gleichmäßige Kühlung des Elektromotors.

Vorteilhafterweise kann die benötigte hydraulische Leistung für den Kühlmittel- fluss gesenkt werden, da die auftretenden Druckverluste, insbesondere bei ei- ner kontinuierlichen Änderung des Durchflussquerschnittes, minimiert werden können.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Kühlmantels 10. Der Kühl- mantel 10 weist insgesamt fünf Teilstücke auf, die mittels eines Referenzschnittes A durch die wendelartige Leitung 13 in einer radialen Ebene zur Wendelachse S festgelegt sind. Das erste Teilstück beginnt am nicht abgebildeten Kühlmitteleinlasses zum Durchflussquerschnitt A4. Das zweite Teilstück beginnt am Durchflussquerschnitt A4 und endet nach einem Umlauf im Umfangsrich- tung am Durchflussquerschnitt A3. Das dritte Teilstück beginnt am Durchflussquerschnitt A3 und endet ebenfalls nach einem Umlauf am Durchflussquerschnitt A2, usw. Das fünfte und letzte Teilstück beginnt am Durchflussquerschnitt A1 und endet am nicht abgebildeten Kühlmittelauslass. Der Transport des Kühlmittels in axialer Richtung kann durch eine entsprechende Steigung (ähnlich einem Schraubengewinde) in Bezug zum Radialumfang B, der in Bezug auf die Wendelachse einen konzentrischen Kreis bildet, reguliert werden. Die axiale Beabstandung der Teilstücke untereinander ist im zweiten Ausführungsbeispiel konstant.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen Kühlmantel zur Kühlung eines Elektromotors mit einem Kühlmitteleinlass, einem Kühlmittelauslass und einer wendelartigen Leitung, wobei die wendelartige Leitung dazu vorgesehen ist, den zu kühlenden Elektromotor zumindest teilweise zu umfassen und ein Kühl- mittel vom Kühlmitteleinlass zum Kühlmittelauslass zu leiten. An derartigen Kühlenmänteln ist nachteilig, dass entlang der Leitung der Temperaturgradient zum zu kühlenden Elektromotor kontinuierlich abnimmt, womit sich die Kühlleistung für einlassnahe und für einlassferne Bestandteile des Elektromotors deutlich unterscheiden kann. Daher wird vorgeschlagen den Durchflussquerschnitt der wendelartigen Leitung zumindest auf einem Teilstück der wendelartigen Leitung im Fließrichtung des Kühlmittels zu verändern. Somit kann eine abnehmende Wärmeaufnahmefähigkeit des Kühlmittels durch eine größere Kühlmittelmenge kompensiert werden. Ferner können besonders abwärmereiche Stellen des zu kühlenden Elektromotors trotz eines geringen Temperaturgradienten intensiv gekühlt werden.

Bezugszeichenliste

A Längsschnitt A1 Erster Querschnitt

A2 Zweiter Querschnitt A3 Dritter Querschnitt

A4 Vierter Querschnitt B Radialumfang

S Wendelachse

10 Kühlmantel 13 wendelartige Leitung

20 Kühlmantels 21 Kühlmitteleinlass

22 Kühlmittelauslass 23 wendelartige Leitung