Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug umfassend eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator und der Rotor in einem Innenraum eines Gehäuses angeordnet sind, und eine Sprühkühlanordnung, wobei vermittels der Sprühkühlanordnung in einem Kühlbetrieb der Stator und/oder der Rotor der elektrischen Maschine durch Besprühen mit einem flüssigen Kältemittel zumindest teilweise kühlbar sind, wobei während des Kühlbetriebs das flüssige Kältemittel an dem Stator und/oder dem Rotor der elektrischen Maschine zumindest teilweise verdampft und wobei das gasförmige Kältemittel und/oder das flüssige Kältemittel über zumindest eine erste Leitung aus dem Innenraum des Gehäuses abführbar sind.

Stand der Technik

Antriebsanordnungen der genannten Art finden in unterschiedlichsten Konfigurationen in Kraftfahrzeugen Anwendung, wobei die elektrische Maschine einer derartigen Antriebsanordnung abhängig von der Konfiguration nur in bestimmten Be- triebstemperaturgrenzen betrieben werden kann bzw. soll.

Elektrische Maschinen umfassen einen feststehenden Stator und einen beweglichen Rotor, wobei der Rotor in der gängigsten Bauform einer elektrischen Maschine drehbar innerhalb eines ringförmig ausgebildeten Stators gelagert ist. Der Stator weist einen Statorkern und zumindest eine an dem Statorkern angeordnete Statorwicklung auf. Weiterhin kann der Rotor einen Rotorkern und zumindest eine an dem Rotorkern angeordnete Rotorwicklung umfassen.

Elektrische Maschinen erzeugen aufgrund des dielektrischen Verlusts während ihres Betriebs Wärme. Vorwiegend kommt es im Bereich der Statorwicklung und/oder der Rotorwicklung, insbesondere im Bereich der jeweiligen Wicklungsköpfe, zu einer starken Wärmeentwicklung. Die Folge dieser starken Erwärmung ist eine Erhöhung des dielektrischen Verlustfaktors - noch mehr elektrische Energie wird in Wärme umgewandelt, was zum einen eine Verschlechterung des Wir- kungsgrads der elektrischen Maschine bewirkt und zum anderen einen zuverlässigen Betrieb der elektrischen Maschine über ihre Lebensdauer negativ beeinflusst. Deshalb ist in Antriebsanordnungen mit elektrischen Maschinen in der Regel eine Kühlvorrichtung vorgesehen, die die zu kühlenden Teile der elektrischen Maschine kühlt.

Konventionelle Kühlungen für elektrische Maschinen bedienen sich eines zirkulierenden gasförmigen oder flüssigen Kühlmittels. Das Kühlmittel zirkuliert beispielsweise in einem Gehäuse der elektrischen Maschine oder in einer als Hohlwelle ausgeführten Rotorwelle, auf der der Rotor der elektrischen Maschine angeordnet ist. Das flüssige Kühlmittel nimmt aufgrund seiner Wärmekapazität die Wärme auf und transportiert diese ab. Diese Lösungen erfolgen in der Regel mit großem Abstand zur Wärmequelle und erfordern eine Wärmeleitung durch den Rotorkern und/oder den Statorkern, um die Abwärme in den Kühlkreislauf abzuleiten. Mittels dieser diffusen Wärmeleitung werden oftmals auch benachbarte Teile wie zum Beispiel Lager, Dichtungen etc. erwärmt und somit thermisch belastet.

Daneben sind auch Kühlvorrichtungen bekannt, die aufgrund der Verdampfung eines Kühlmittels eine Kühlung von zu kühlenden Oberflächen einer elektrischen Maschine bewirken. Das Kühlmittel wird dabei an der zu kühlenden Oberfläche verdampft und anschließend wieder rückkondensiert. So beschreibt beispielsweise das Dokument US 7,397,154 B2 ein sprühgekühltes Motorsystem mit einem Motorgehäuse mit einem Innenraum und einem Außenraum, wobei der Stator und der Rotor in dem Innenraum des Gehäuses angeordnet sind. Weiterhin weist das Motorsystem eine Vielzahl an Zerstäubern auf, die so ausgebildet sind, dass zu- mindest der Stator und der Rotor von dem Zerstäuber besprüht werden. Weiterhin weist das offenbarte Motorsystem eine Kühlmittelpumpe auf, die mit den Zerstäubern in Verbindung steht und die Zerstäuber mit Kühlmittel versorgt. Das Kühlmittel ist beispielsweise ein dielektrisches Fluid, dass an den zu kühlenden Oberflächen des Stators und des Rotors verdampft. Die Rückkondensation des Kühlmit- tels erfolgt an der Gehäuseinnenwand des Gehäuses. In diesem Fall ist die Wärmeabfuhr durch das Kühlmittel jedoch stark begrenzt.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Antriebsanordnung mit einer elektrischen Maschine und einer Sprühkühlanordnung anzugeben, die eine variable Kühlung der elektrischen Maschine und somit einen leistungsoptimierten Betrieb der Antriebsanordnung erlaubt.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug umfassend eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator und der Rotor in einem Innenraum eines Gehäuses angeordnet sind, und eine Sprühkühlanordnung, wobei vermittels der Sprühkühlanordnung in einem Kühlbetrieb der Stator und/oder der Rotor der elektrischen Maschine durch Besprühen mit einem flüssigen Kältemittel zumindest teilweise kühlbar sind, wobei während des Kühlbetriebs das flüssige Kältemittel an dem Stator und/oder dem Rotor der elektrischen Maschine zumindest teilweise verdampft und wobei das gasförmige Kältemittel und/oder das flüssige Kältemittel über zumindest eine erste Leitung aus dem Innenraum des Gehäuses abführbar sind, wobei in der ersten Leitung ein erstes Regelventil angeordnet ist, wobei über das erste Regelventil der Dampfdruck in dem Innenraum des Gehäuses regelbar ist.

Die elektrische Maschine weist erfindungsgemäß einen Stator, einen Rotor und ein Gehäuse auf, wobei der Stator und der Rotor in einem Innenraum des Gehäuses angeordnet sind.

Erfindungsgemäß sind in einem Kühlbetrieb der Antriebsanordnung mittels der Sprühkühlanordnung die elektrische Maschine, genauer der Stator und/oder der Rotor der elektrischen Maschine, zumindest teilweise kühlbar. Die Kühlung des Stators und/oder Rotors erfolgt vermittels zumindest teilweisem Besprühen der zu kühlenden Oberflächen des Stators und/oder Rotors mit einem flüssigen Kältemittel. Entsprechend der vorliegenden Erfindung verdampft das flüssige Kältemittel zumindest teilweise an den zu kühlenden Oberflächen des Stators und/oder Ro- tors - es bildet sich ein erste Phase, nämlich gasförmiges Kältemittel, und/oder eine zweite Phase, nämlich flüssiges Kältemittel.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind das gasförmige Kältemittel und/oder das flüssige Kältemittel über zumindest eine erste Leitung aus dem Innenraum des Gehäuses abführbar.

In der ersten Leitung ist erfindungsgemäß ein erstes Regelventil angeordnet, wobei über das erste Regelventil der Dampfdruck in dem Innenraum des Gehäuses regelbar ist.

Durch die Verdampfung des Kältemittels ist eine homogene Temperatur der zu kühlenden Oberflächen sichergestellt. Das Kältemittel erwärmt sich an den zu kühlenden Oberflächen der elektrischen Maschine bis zum Start einer vom jeweiligen Dampfdruck abhängigen Verdampfung auf der zu kühlenden Oberfläche und führt dabei einerseits durch die Aufwärmung auf die Siedetemperatur und ande- rerseits durch die latente Verdampfungswärme Wärme von der zu kühlenden Oberfläche der elektrischen Maschine ab. Der Dampfdruck kann durch das erste Regelventil eingestellt werden. Die Oberflächentemperatur des zu kühlenden Bauteils der elektrischen Maschine ist somit über den Dampfdruck im Innenraum des Gehäuses der elektrischen Maschine einstellbar und es wird ein leistungsop- timierter Betrieb der Antriebsanordnung gewährleistet.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.

Die Sprühkühlanordnung umfasst bevorzugt einen Kältemitteltank zur Aufnahme des flüssigen Kältemittels, eine Kältemittelpumpe, zumindest eine Sprüheinheit und einen Kondensator. Über die Kältemittelpumpe ist das flüssige Kältemittel aus dem Kältemitteltank zu der Sprüheinheit förderbar. Die Kältemittelpumpe ist bevorzugt als regelbare Pumpe ausgeführt. Derart ist es möglich die zu fördernde Menge an flüssigem Kältemittel zu regeln und somit die Effizienz der Sprühkühlanordnung positiv zu beeinflussen.

Mittels dem Einsatz einer Sprüheinheit ist es möglich das Kältemittel direkt auf die zu kühlenden Oberflächen der elektrischen Maschine zu sprühen und eine homogene Verteilung des Kältemittels über die zu kühlenden Oberflächen der elektrischen Maschine zu bewirken. Durch diese direkte Kühlung der Wärmequellen können die thermischen Widerstände reduziert werden. Weiterhin reicht bereits ein geringer Kältemittelmassenstrom aus, um die zu kühlenden Oberflächen der elektrischen Maschine mit Kältemittel zu benetzen. Der Kondensator ist bevorzugt eingangsseitig über die erste Leitung und das erste Regelventil mit dem Innenraum des Gehäuses der elektrischen Maschine derart verbindbar, dass während des Kühlbetriebs gasförmiges Kältemittel und/oder flüssiges Kältemittel aus dem Innenraum des Gehäuses in den Kondensator strö- men kann.

Bevorzugt ist der Kondensator ausgangsseitig mit dem Kältemitteltank verbunden ist. Weiterhin bevorzugt ist der Kältemitteltank über eine zweite Leitung und ein zweites Ventil mit dem Innenraum des Gehäuses der elektrischen Maschine verbindbar, sodass während des Kühlbetriebs flüssiges Kältemittel von dem Innenraum des Gehäuses direkt in den Kältemitteltank fließen kann. Durch die Verbindung des Kondensators und/oder des Kältemitteltanks mit dem Innenraum des Gehäuses der elektrischen Maschine über die erste Leitung und/oder die zweite Leitung kann die Antriebsanordnung weiterhin an spezielle Bauraumanforderungen innerhalb des Kraftfahrzeugs individuell angepasst werden.

Vorzugsweise mündet die zweite Leitung in Bezug auf die Einbaulage der Antriebsanordnung ausgehend von einem tiefsten Abschnitt des Gehäuses in dem Kältemitteltank. Durch die Ausbildung der zweiten Leitung mit dem zweiten Regelventil, insbesondere dadurch, dass die zweite Leitung in Bezug auf die Einbaulage der Antriebsanordnung von dem tiefsten Abschnitt in den Kältemitteltank mündet, wird ein besonders zuverlässiger Abfluss des flüssigen Kältemittels aus dem Innenraum des Gehäuses sichergestellt und ein Planschen des Stators und/oder Rotors in dem flüssigen Kältemittel und somit ein Leistungsverlust der elektrischen Maschine durch Planschverluste verhindert.

Das Kältemittel ist bevorzugt eine elektrisch nicht leitende Flüssigkeit mit einem Siedepunkt bei Umgebungsdruck zwischen 60°C und 100°C, insbesondere zwischen 60°C und 80°C.

Bekannte Anwendungen zur Sprühkühlung verwenden meist spezielle elektrisch nicht leitende Öle. Diese können aufgrund ihrer dielektrischen Eigenschaft zwar direkt auf die zu kühlende Oberfläche, beispielsweise die Wicklungsoberfläche, gesprüht werden, verdampfen dort aber aufgrund der maximal zulässigen Oberflächentemperatur nicht. Der feine Ölfilm tropft von der zu kühlenden Oberfläche zurück in den Ölsumpf und gibt dort die aufgenommene Wärmemenge wieder an die Gehäusewand ab oder wird von dort zu einem Wärmetauscher gepumpt.

Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Antriebsanordnung, insbesondere durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Sprühkühlanordnung, kann die Antriebsanordnung leistungsoptimiert betrieben werden. Dabei bedingt der Einsatz des Kondensators eine besonders effiziente Rückkondensation des gasförmigen Kältemittels und eine optimierte Wärmeabfuhr aus dem Innenraum des Gehäuses.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Fig. zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften

Antriebsanordnung. Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die in Fig. dargestellte beispielhafte Antriebsanordnung 1 umfasst eine elektrische Maschine 2 und eine Sprühkühlanordnung 7.

Die elektrische Maschine 2 weist ein Gehäuse 6, einen Stator 3 und einen Rotor 4 auf. Der Stator 3 und der Rotor 4 sind in einem Innenraum 5 des Gehäuses 6 angeordnet, wobei der Stator 3 ringförmig ausgebildet ist und den Rotor 4 außen- umfänglich umgibt. Eine umgekehrte Anordnung, nämlich eine Anordnung in der der Rotor 4 ringförmig ausgebildet ist und den Stator 3 außenumfänglich umgibt, ist ebenso denkbar.

Der Rotor 4 ist fest auf einer Rotorwelle 19 angeordnet. Die Rotorwelle 19 ist durch eine Öffnung des Gehäuses 6 aus dem Innenraum 5 des Gehäuses 6 geführt.

Der Stator 3 weist einen Statorkern 20 und eine Statorwicklung 21 auf. Der Rotor 4 weist einen Rotorkern 22 und eine Rotorwicklung 23 auf.

Die Sprühkühlanordnung 7 umfasst einen Kältemitteltank 13 mit flüssigem Kältemittel, eine Kältemittelpumpe 10, ein Filterelement 17, zwei Sprüheinheiten 1 1 sowie einen Kondensator 12. Das Filterelement 17 ist zwischen der Kältemittelpumpe 10 und den beiden Sprüheinheiten 1 1 angeordnet und verhindert das feinste Verunreinigungen in dem Kältemittel zu den Sprühdüsen gelangen und diese verstopfen. Eine Anordnung des Filterelements 17 zwischen dem Kältemitteltank 13 und der Kältemittelpumpe 10 ist ebenso denkbar. Weiterhin ist es denkbar mehrere Filterelemente 17 inner- halb der Sprühkühlanordnung 7 anzuordnen. ln einem Kühlbetrieb der Antriebsanordnung 1 werden im Fall des in Fig. schematisch gezeigten Ausführungsbeispiels der Kopf der Statorwicklung 21 und der Kopf der Rotorwicklung 23 gekühlt. Die Kühlung erfolgt indem flüssiges Kältemittel aus dem Kältemitteltank 13 über die Kältemittelpumpe 10 zu den beiden Sprüheinheiten 1 1 gefördert wird. Die Sprüheinheiten 1 1 sind wie der Stator 3 und der Rotor 4 in dem Innenraum 5 des Gehäuses 6 der elektrischen Maschine 2 angeordnet. Über die Sprüheinheiten 1 1 wird das flüssige Kältemittel zerstäubt. Die Sprüheinheiten 1 1 sind derart ausgebildet, dass die zu kühlenden Oberflächen des Stators 3 und des Rotors 4 flächig mit flüssigem, zerstäubten Kältemittel besprüht werden - derart wird kontinuierlich ein dünner Kältemittelfilm auf den Kopf der Statorwicklung 21 und auf den Kopf der Rotorwicklung 23 aufgebracht. Das flüssige Kältemittel verdampft an der zu kühlenden Oberfläche des Stators 3 und an der zu kühlenden Oberfläche des Rotors 4 zumindest teilweise und es bildet sich gasför- miges Kältemittel und je nach Verdampfungsgrad auch flüssiges Kältemittel. Das gasförmige Kältemittel steigt innerhalb des Innenraums 5 des Gehäuses 6 der elektrischen Maschine 2 im Wesentlichen in Richtung eines höchsten Abschnitts 18 des Gehäuses 6 auf. Das nicht verdampfte, flüssige Kältemittel tropft von den zu kühlenden Oberflächen des Stators 3 und des Rotors 4 in einen tiefsten Ab- schnitt 16 des Gehäuses 6 der elektrischen Maschine 2.

Der Innenraum 5 des Gehäuses 6 der elektrischen Maschine 2 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel über eine erste Leitung 8 und ein erstes Regelventil 9 eingangsseitig mit dem Kondensator 9 verbindbar. Die erste Leitung 8 mündet in dem vorliegenden Beispiel in Bezug auf die Einbaulage der Antriebsanordnung 1 ausgehend von dem höchsten Abschnitt 18 des Gehäuses 6 in den Kondensator 12. Über die erste Leitung 13 kann während des Kühlbetriebs gasförmiges Kältemittel aus dem Innenraum 5 des Gehäuses 6 in den Kondensator 12 strömen. Weiterhin ist der Innenraum 5 des Gehäuses 6 der elektrischen Maschine 2 über eine zweite Leitung 14 und ein zweites Regelventil 15 mit dem Kältemitteltank 13 verbindbar. Die zweite Leitung 14 mündet in Bezug auf die Einbaulage der Antriebsanordnung 1 ausgehend von dem tiefsten Abschnitt 16 des Gehäuses 6 in dem Kältemitteltank 13. Über die zweite Leitung 14 kann während des Kühlbetriebs flüssiges Kältemittel aus dem Innenraum 5 des Gehäuses 6 in den Kältemitteltank 13 fließen.

Der Kondensator 9 ist ausgangsseitig mit dem Kältemitteltank 8 verbunden.

Bezuqszeichenliste

1 Antriebsanordnung

2 Elektrische Maschine

3 Stator

4 Rotor

5 Innenraum

6 Gehäuse

7 Sprühkühlanordnung

8 Erste Leitung

9 Erstes Regelventil

10 Kältemittelpumpe

1 1 Sprüheinheit

12 Kondensator

13 Kaltem itteltank

14 Zweite Leitung

15 Zweites Regelventil

16 Tiefster Abschnitt

17 Filterelement

18 Höchster Abschnitt

19 Rotorwelle

20 Statorkern

21 Statorwicklung

22 Rotorkern

23 Rotorwicklung