-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine umfassend einen Stator, einen Rotor, wobei der Rotor um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbar ist und eine Rotorwelle aufweist, wobei die Rotorwelle zumindest teilweise hohl ausgeführt ist und so einen ersten Kanal ausbildet, der von Kühlmittel durchströmbar ist, wobei die Rotorwelle an einem ersten Wellenende eine axiale Öffnung und in ihrer Mantelfläche zumindest eine erste radiale Öffnung aufweist und an einem zweiten Wellenende in ihrer Mantelfläche zumindest eine zweite radiale Öffnung aufweist, und ein Leitelement.
-
Stand der Technik
-
Elektrische Maschinen der oben genannten Art dienen der Energiewandlung von elektrischer in mechanischer Energie und umgekehrt und werden als Motor und/oder Generator vielfach im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt.
-
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 Wirkungsgrads 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 Kühlmittel nimmt aufgrund seiner Wärmekapazität die Wärme auf und transportiert diese ab.
-
Wird das Kühlmittel durch die Rotorwelle geleitet, werden in den Endbereichen der Rotorwelle oftmals radiale Bohrungen in der Mantelfläche der Rotorwelle vorgesehen, über die insbesondere die Wickelköpfe mit Kühlmittel versorgt werden können. Hierbei gestaltet sich jedoch insbesondere die Speisung der radialen Bohrungen mit Kühlmittel nach einem festen Verhältnis schwierig. Weiterhin ist der radiale Bauraum von elektrischen Maschinen oftmals begrenzt und die als Hohlwelle ausgeführte Rotorwelle kann nur einen sehr kleinen Innendurchmesser aufweisen, was die Effizienz der Kühlung weiter beeinträchtigt.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine elektrische Maschine anzugeben, die insbesondere bei bauraumkritischen Anwendungen aufgrund eines verbesserten Kühlsystems einen effizienzoptimierten Betrieb erlaubt.
-
Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß dem unabhängigen ersten Anspruch gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
-
Erfindungsgemäß umfasst die elektrische Maschine einen Stator, einen Rotor und ein Leitelement.
-
Der Rotor ist erfindungsgemäß um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbar und weist eine Rotorwelle auf.
-
Die Rotorwelle ist erfindungsgemäß zumindest teilweise hohl ausgeführt und bildet so einen ersten Kanal aus, der von Kühlmittel durchströmbar ist. Erfindungsgemäß weist die Rotorwelle an einem ersten Wellenende eine axiale Öffnung und in ihrer Mantelfläche zumindest eine erste radiale Öffnung auf und an einem zweiten Wellenende in ihrer Mantelfläche zumindest eine zweite radiale Öffnung auf. Der erste Kanal der Rotorwelle ist über die erste radiale Öffnung und die zweite radiale Öffnung mit einem Außenbereich der Rotorwelle fluidverbunden.
-
Unter einem Kühlmittel ist in diesem Zusammenhang insbesondere ein flüssiges Kühlmittel, wie beispielsweise Öl, zu verstehen. Der Einsatz eines anderen Kühlmittels, wie zum Beispiel eines gasförmigen Kühlmittels, ist jedoch auch denkbar.
-
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist das Leitelement an einem ersten Ende fest, d.h. axial- und rotationsfest, mit einer feststehenden Komponente verbunden und erstreckt sich mit einem zweiten Ende durch die axiale Öffnung der Rotorwelle zumindest teilweise in den ersten Kanal.
-
Die Richtungsangabe „axial“ beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu der Drehachse. Die Richtungsangabe „radial“ beschreibt eine Richtung normal zu der Drehachse.
-
Erfindungsgemäß ist das Leitelement hohl ausführt und bildet so einen von Kühlmittel durchströmbaren zweiten Kanal aus.
-
Über das rotationsfest angeordnete Leitelement kann somit Kühlmittel in den ersten Kanal der schnell rotierenden Rotorwelle geleitet werden.
-
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
-
In einer bevorzugten Ausführungsvariante verkleinert sich der Durchmesser des zweiten Kanals des Leitelements über seine axiale Erstreckung ausgehend von dem ersten Ende des Leitelements. Der zweite Kanal kann dabei vorzugsweise einen ersten Abschnitt, einen zweiten Abschnitt und einen dritten Abschnitt aufweisen, wobei sich der erste Abschnitt zwischen dem ersten Ende des Leitelements und dem zweiten Abschnitt ausbildet und sich der dritte Abschnitt zwischen dem zweiten Abschnitt (15) und dem zweiten Ende (11) des Leitelements (9) ausbildet. Der der zweite Kanal weist dabei vorzugsweise im Bereich des ersten Abschnitts einen ersten Durchmesser und im Bereich des dritten Abschnitts einen zweiten Durchmesser auf, wobei der erste Durchmesser größer ist als der zweite Durchmesser und sich der Durchmesser des zweiten Kanals im Bereich des zweiten Abschnitts ausgehend von dem ersten Durchmesser des ersten Abschnitts des zweiten Kanals hin zum zweiten Durchmesser des dritten Abschnitts des zweiten Kanals stetig verkleinert. Über eine derartige Ausbildung des zweiten Kanals erhält das Leitelement eine „Düsenfunktion“, sodass das Kühlmittel beschleunigt wird und über einen geringeren Durchmesser in den ersten Kanal geleitet wird. Dies verringert die Kühlmittel-Leckage an der Übergabestelle zwischen dem zweiten Kanal des Leitelements und dem ersten Kanal der Rotorwelle und stellt insbesondere bei geringen Kühlmittelvolumenströmen eine ausreichende Versorgung der zweiten radialen Öffnung mit Kühlmittel sicher.
-
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsvariante ist im Bereich des zweiten Endes des Leitelements, nämlich an der Übergabestelle zwischen dem zweiten Kanal des Leitelements und dem ersten Kanal der Rotorwelle, ein ring- oder hülsenartiges erstes Element fest an einem Innenumfang der Rotorwelle angeordnet. Dieses erste Element hindert einen Anteil des Kühlmittels daran in den Leckage-Spalt zu laufen.
-
Das erste Element weist vorzugsweise eine Leitgeometrie auf. Derart kann eine Aufteilung des Kühlmittels in Richtung der ersten radialen Öffnung un der zweiten radialen Öffnung auf geometrischem Wege gezielt gesteuert werden.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist in der ersten radialen Öffnung ein hülsenartiges zweites Element derart angeordnet, dass es teilweise in den ersten Kanal ragt. Bei niedrigen Kühlmittelvolumenströmen legt sich - der Fliehkraft des Rotors folgend - das Kühlmittel an dem Innenumfang der Rotorwelle an. Das in den ersten Kanal ragende zweite Element bewirkt ein „Weiterlaufen“ eines wesentlichen Teils des Kühlmittels in Richtung des zweiten Wellenendes der Rotorwelle und somit zu der zweiten radialen Öffnung.
-
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist an dem Innenumfang der Rotorwelle zumindest teilweise ein Gewinde oder zumindest eine Nut ausgebildet. Derart kann durch die Rotation der Rotorwelle die Förderung von Kühlmittel zusätzlich begünstigt werden.
-
Bevorzugt ist an einem Außenumfang des Leitelements zumindest teilweise ein Gewinde oder zumindest eine Nut ausgebildet. Derart können die Kühlmittel-Leckageströmungen entschleunigt werden und im Leckage-Spalt mehr Druckverlust aufgebaut werden. Dies lässt sich natürlich auch durch eine Ausbildung eines Gewindes oder zumindest einer Nut an dem Innenumfang der Rotorwelle darstellen.
-
Figurenliste
-
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsvariante einer Rotorwelle und eines Leitelements.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsvariante einer Rotorwelle und eines Leitelements.
- 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante einer Rotorwelle, eines Leitelements und eines ringartigen ersten Elements.
- 4 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsvariante einer Rotorwelle, eines Leitelements und eines hülsenartigen ersten Elements.
- 5 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsvariante einer Rotorwelle, eines Leitelements und eines hülsenartigen ersten Elements.
- 6 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsvariante einer Rotorwelle, eines Leitelements und eines hülsenartigen ersten Elements.
- 7a zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsvariante einer Rotorwelle, eines Leitelements und eines hülsenartigen ersten Elements.
- 7b zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene A-A gemäß 7a.
- 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante einer Rotorwelle, eines Leitelements und eines hülsenartigen zweiten Elements.
- 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Rotorwelle mit einem Gewinde in einem ersten Kanal.
- 10 zeigt eine schematische Darstellung eines Leitelements mit einem Gewinde an einem Außenumfang.
-
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
-
In 1 bis 10 ist jeweils nur eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine schematisch dargestellt.
-
Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst einen Stator, einen Rotor und ein Leitelement 9. Der Rotor ist um eine Drehachse 13 relativ zu dem Stator drehbar und weist eine Rotorwelle 1 auf.
-
Die Rotorwelle 1 ist zumindest teilweise hohl ausgeführt und bildet so einen ersten Kanal 2 aus, der von Kühlmittel durchströmbar ist. Die Rotorwelle 1 weist an einem ersten Wellenende 4 eine axiale Öffnung 6 auf und ist an einem zweiten Wellenende 5 verschlossen ausgebildet (1).
-
Die Rotorwelle 1 weist in ihrer Mantelfläche im Bereich des ersten Wellenendes 4 mehrere erste radiale Öffnungen 7 auf und im Bereich des zweiten Wellenendes 5 mehrere zweite radiale Öffnung 8 auf. Der erste Kanal 2 der Rotorwelle 1 ist über die ersten radialen Öffnungen 7 und die zweiten radialen Öffnungen 8 mit einem Außenbereich der Rotorwelle 1, insbesondere mit den Wickelköpfen, fluidverbunden (1).
-
Die Richtungsangabe „axial“ beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu der Drehachse 13. Die Richtungsangabe „radial“ beschreibt eine Richtung normal zu der Drehachse 13.
-
Das Leitelement 9 ist an einem ersten Ende 10 fest, d.h. axial- und rotationsfest, mit einer feststehenden Komponente 12, nämlich einem Gehäuse 21 eines Getriebes, verbunden und erstreckt sich mit einem zweiten Ende 11 durch die axiale Öffnung 6 der Rotorwelle 1 teilweise in den ersten Kanal 2. Das Leitelement 9 ist hohl ausführt und bildet so einen von Kühlmittel durchströmbaren zweiten Kanal 3 aus. Über das rotationsfest angeordnete Leitelement 9 kann somit Kühlmittel in den ersten Kanal 2 der schnell rotierenden Rotorwelle 1 geleitet werden (1).
-
In dem in 1 schematisch gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser des zweiten Kanals 3 des Leitelements 9 über die axiale Erstreckung des Leitelements 9 konstant.
-
In 2 ist schematisch eine Ausführungsvariante dargestellt, in der der Durchmesser des zweiten Kanals 3 des Leitelements 9 über seine axiale Erstreckung nicht konstant ist. Der zweite Kanal 3 weist drei Abschnitte, nämlich einen ersten Abschnitt 14, einen zweiten Abschnitt 15 und einen dritten Abschnitt 26 auf, wobei sich der erste Abschnitt 14 zwischen dem ersten Ende 10 des Leitelements 9 und dem zweiten Abschnitt 15 ausbildet und sich der dritte Abschnitt 26 zwischen dem zweiten Abschnitt 15 und dem zweiten Ende 11 des Leitelements 9 ausbildet - der zweite Abschnitt 15 ist somit zwischen dem ersten Abschnitt 14 und dem dritten Abschnitt 26 ausgebildet. Im Bereich des ersten Abschnitts 14 weist der zweite Kanal 3 des Leitelements 9 einen ersten Durchmesser auf. Im Bereich des dritten Abschnitts 26 weist der zweite Kanal 3 des Leitelements 9 einen zweiten Durchmesser auf, wobei der zweite Durchmesser kleiner als der erste Durchmesser ist. Im Bereich des zweiten Abschnitts 15 verkleinert sich der Durchmesser des zweiten Kanals 3 des Leitelements 9 ausgehend von dem ersten Durchmesser des zweiten Kanals 3 im Bereich des ersten Abschnitts 14 hin zum zweiten Durchmesser des zweiten Kanals 3 im Bereich des dritten Abschnitts 26 hin stetig. Über eine derartige Ausbildung des zweiten Kanals 3 erhält das Leitelement 9 eine „Düsenfunktion“, sodass das Kühlmittel beschleunigt wird und über einen geringeren Durchmesser in den ersten Kanal 2 geleitet wird. Dies verringert die Kühlmittel-Leckage an der Übergabestelle zwischen dem zweiten Kanal 3 des Leitelements 9 und dem ersten Kanal 2 der Rotorwelle 1 und stellt insbesondere bei geringen Kühlmittelvolumenströmen eine ausreichende Versorgung der zweiten radialen Öffnung 8 mit Kühlmittel sicher.
-
Das Leitelement 9 selbst weist, im Wesentlichen den Durchmessern des zweiten Kanals 3 folgend, einen abgesetzten Außenumfang auf, um so insbesondere eine Fehlmontage zu vermeiden.
-
In 3 ist im Bereich des zweiten Endes 11 des Leitelements 9, nämlich an der Übergabestelle zwischen dem zweiten Kanal 3 des Leitelements 9 und dem ersten Kanal 2 der Rotorwelle 1, ein ringartiges erstes Element 16 fest an einem Innenumfang der Rotorwelle 1 angeordnet, nämlich eingepresst. Der zweite Kanal 3 des Leitelements 9 ist hierbei mit konstantem Durchmesser ausgebildet, kann jedoch auch mit variierenden Durchmessern, wie beispielsweise im Zusammenhang mit dem Leitelement 9 in 2 beschrieben, ausgeführt sein. Die Rotorwelle 1 weist an ihrem Innenumfang einen Absatz 22 auf. Das ringförmige erste Element 16 ist im Bereich dieses Absatzes 22 eingepresst. Das ringförmige erste Element 16 hindert einen Anteil des Kühlmittels daran in einen Leckage-Spalt 23 zu laufen.
-
In 4 ist im Bereich des zweiten Endes 11 des Leitelements 9, nämlich an der Übergabestelle zwischen dem zweiten Kanal 3 des Leitelements 9 und dem ersten Kanal 2 der Rotorwelle 1, ein hülsenartiges erstes Element 16 fest an einem Innenumfang der Rotorwelle 1 angeordnet, nämlich eingepresst. Der zweite Kanal 3 des Leitelements 9 ist auch hier mit konstantem Durchmesser ausgeführt, kann jedoch auch mit einem variierenden Durchmessern gemäß dem Leitelement 9 in 2 ausgeführt sein. Die Rotorwelle 1 weist an ihrem Innenumfang den Absatz 22 auf. Das hülsenförmige erste Element 16 ist im Bereich dieses Absatzes 22 eingepresst. Das hülsenförmige erste Element 16 hindert einen Anteil des Kühlmittels daran in den Leckage-Spalt 23 zu laufen.
-
In 5 ist ein rotationssymmetrisches hülsenförmiges erstes Element 16 im Bereich des zweiten Endes 11 des Leitelements 9 in die Rotorwelle 1 eingepresst. Hierdurch wird mehr Kühlmittel an das zweite Wellenende 5 der Rotorwelle 1 geleitet und die ersten radialen Öffnungen 7 können vergrößert werden. Der zweite Kanal 3 des Leitelements 9 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit konstantem Durchmesser ausgeführt, kann jedoch auch mit einem variierenden Durchmessern gemäß dem Leitelement 9 in 2 ausgeführt sein.
-
In 6 ist ein rotationssymmetrisches hülsenförmiges erstes Element 16 im Bereich des zweiten Endes 11 des Leitelements 9 in die Rotorwelle 1 teilweise eingepresst. Das erste Element 16 ist dabei so ausgeführt, dass ein erster Teil 24 des ersten Elements 16, nämlich der der axialen Öffnung 6 nähere, in die Rotorwelle eingepresst ist und ein zweiter Teil 25 des ersten Elements 16 sich von dem Innenumfang der Rotorwelle 1 beabstandet, im Wesentlichen parallel zu dieser teilweise in den ersten Kanal 2 erstreckt. Die axiale Erstreckung des zweiten Teils 25 des ersten Elements 16 endet erst an einer axialen Stelle nach, d.h. weiter von dem ersten Wellenende 4 entfernt, der axialen Stelle an der die ersten radialen Öffnungen 7 ausgeführt sind. Derart fungiert das erste Element 16 als verlängertes Leitelement 9 und stellt das Kühlmittel in einer Weise zur Verfügung, dass es rein fliehkraftgesteuert an die ersten radialen Öffnungen 7 und die zweiten radialen Öffnungen 8 verteilt wird.
-
In 7a und 7b ist ein rotationssymmetrisches hülsenförmiges erstes Element 16 im Bereich des zweiten Endes 11 des Leitelements 9 in die Rotorwelle 1 eingepresst, dessen Grunddesign im Wesentlichen dem hülsenförmigen ersten Element 16 aus 5 entspricht. Das in 7 dargestellte erste Element 16 weist jedoch eine Leitgeometrie 17 auf. Derart kann eine Aufteilung des Kühlmittels in Richtung der ersten radialen Öffnung 7 und der zweiten radialen Öffnung 8 auf geometrischem Wege gezielt gesteuert werden.
-
In 8 ist eine weitere Ausführungsvariante dargestellt, in der in der ersten radialen Öffnung 7 ein hülsenartiges zweites Element 18 derart angeordnet ist, dass es teilweise in den ersten Kanal 2 ragt. Bei niedrigen Kühlmittelvolumenströmen legt sich - der Fliehkraft des Rotors folgend - das Kühlmittel an dem Innenumfang der Rotorwelle 1 an. Das in den ersten Kanal 2 ragende zweite Element 18 bewirkt ein „Weiterlaufen“ eines wesentlichen Teils des Kühlmittels in Richtung des zweiten Wellenendes 5 der Rotorwelle 1 und somit zu den zweiten radialen Öffnungen 18.
-
In 9 ist eine Rotorwelle 1 an deren Innenumfang, nämlich im ersten Kanal 2, teilweise ein Gewinde 19 ausgebildet ist. Durch die Ausbildung des Gewindes kann durch die Rotation der Rotorwelle 1 die Förderung von Kühlmittel zusätzlich begünstigt werden.
-
In 10 ist ein Leitelement 9 mit konstantem Durchmesser des zweiten Kanals 3 dargestellt das an seinem Außenumfang ein Gewinde 19 aufweist. Derart können die Kühlmittel-Leckageströmungen entschleunigt werden und im Leckage-Spalt 23 mehr Druckverlust aufgebaut werden. Dies lässt sich natürlich auch durch eine Ausbildung eines Gewindes 19 oder zumindest einer Nut an dem Innenumfang der Rotorwelle 1 im Bereich des Leckage-Spalts 23 darstellen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Rotorwelle
- 2
- Erster Kanal
- 3
- Zweiter Kanal
- 4
- Erstes Wellenende
- 5
- Zweites Wellenende
- 6
- Axiale Öffnung
- 7
- Erste radiale Öffnung
- 8
- Zweite radiale Öffnung
- 9
- Leitelement
- 10
- Erstes Ende
- 11
- Zweites Ende
- 12
- Feststehende Komponente
- 13
- Drehachse
- 14
- Erster Abschnitt
- 15
- Zweiter Abschnitt
- 16
- Erstes Element
- 17
- Leitgeometrie
- 18
- Zweites Element
- 19
- Gewinde
- 21
- Gehäuse
- 22
- Absatz
- 23
- Leckage-Spalt
- 24
- Erster Teil
- 25
- Zweiter Teil
- 26
- Dritter Abschnitt