CN110114962B

CN110114962B - 用于电机的转子轴以及电机

Info

Publication number: CN110114962B
Application number: CN201880005400.8A
Authority: CN
Inventors: E·巴蒂; J·布卢姆; M·朗; D·罗斯; H·乌尔布里希
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-02-14
Filing date: 2018-02-02
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2038-02-02
Also published as: US11569710B2; WO2018149669A1; DE102017202356A1; CN110114962A; US20190363609A1

Abstract

本发明涉及一种用于电机的转子轴，包括转子轴基体(12)和设置在其中并且与转子轴基体(12)连接的转子轴芯(14)。所述转子轴(10)还具有用于引导冷却流体(20)的、基本上轴向延伸的冷却腔(16)。转子轴芯(14)在此由与转子轴基体(12)不同的材料制成。此外，本发明涉及一种包括这种转子轴(10)的电机。

Description

用于电机的转子轴以及电机

技术领域

本发明涉及一种用于电机的转子轴以及一种电机。

背景技术

用于电机的转子轴在现有技术中通常配备有所谓的空心轴冷却部。在此轴设有轴向孔，冷却流体、如水被引入其中。

冷却流体可借助所谓的冷却流体喷管被引入轴向孔中。在此，轴向孔可以是盲孔。冷却流体随后在轴的同一侧流出，冷却流体在该侧通过冷却流体喷管被引入该轴。

此外，由现有技术已知存在于轴向孔中的冷却流体在转子轴旋转时产生摩擦损失。因此，用于冷却流体的轴向孔在高速旋转的转子轴中设有相对小的直径。从而可减少通过冷却流体引起的摩擦损失。

为了借助冷却流体实现良好的冷却效果，已知的转子轴通常由实心材料制成。因此确保了冷却流体与转子轴周面之间良好的热导率。为了减轻重量而设置的空腔在此可使热导率显著劣化，因而在许多情况下放弃这种空腔。

发明内容

本发明的任务在于进一步改进已知的转子轴。尤其是应提供这样的转子轴，其可被有效且有利地冷却并且同时具有低重量和由此低惯性。

所述任务通过一种用于电机的转子轴解决，该转子轴包括转子轴基体和设置在该转子轴基体中、与转子轴基体连接的转子轴芯，转子轴具有用于引导冷却流体的、基本上轴向延伸的冷却腔并且转子轴芯由与转子轴基体不同的材料制成。

冷却流体例如是水。

冷却腔可沿轴向单侧开口。因此能以已知方式引入冷却流体喷管，从而确保足够的冷却效果。冷却腔也可在轴向上双侧开口。因此冷却流体可沿轴向穿过转子轴。

优选转子轴芯由与制造转子轴基体的材料相比具有较低的密度的材料制成。

另外，优选两种材料的热导率具有相似的数量级。

作为替代方案，转子轴芯的材料的热导率可大于转子轴基体的热导率。因此这种轴与已知轴相比更轻。同时确保了转子轴周面与冷却腔之间的良好热传导。由于重量减轻，转子轴的惯性也减小。从而可实现转子的动态可运动性。上述效果和优点尤其是适用于具有较大外径的转子轴，其设计用于快速旋转，因为在这种转子轴中在转子轴周面和冷却腔之间的热传导路径相对较长。与此相应也可节省很多重量。通过转子轴基体和转子轴芯的相应比例以及通过用于这两个部件的材料还可精确调节转子轴的机械特性、如在弯曲、扭转或热膨胀方面的机械特性。

根据一种实施方式，在冷却腔中设置冷却流体喷管并且优选设置冷却流体转向件。通过冷却流体喷管，冷却流体以已知方式从一个轴向侧被引入转子轴中。流体转向件随后确保冷却流体在同一侧再次流出转子轴。对于这种轴，与冷却流体管路系统的连接仅需要很小的安装空间。同时冷却腔例如可简单地通过盲孔形成。冷却流体转向件因此是盲孔的底部。

转子轴芯可由铝材、镁材和/或塑料制成并且转子轴基体优选由钢材制成。通过钢材，转子轴获得足够的机械强度和刚度。由于铝和镁的密度明显低于钢，因此通过使用这种转子轴芯可节省重量。这也适用于塑料的使用，塑料通常也具有比钢低的密度。同时铝和镁具有显著高于钢的热导率，由此大大改善了从转子轴周面到冷却腔的热传导。这也有利于转子轴的可冷却性。还可想到，由所述材料的组合制造转子轴芯。

优选冷却腔基本上居中且连续地在转子轴中延伸。术语“连续”在此表示冷却腔从一个轴向的转子轴端部延伸到另一个轴向的转子轴端部。因此不仅在径向方面上而且也在轴向方面确保了转子轴的均匀冷却。从而有效防止了基于热膨胀的应力，这确保了转子轴的可靠功能和长使用寿命。

冷却腔可部分地在转子轴基体中并且部分地在转子轴芯中延伸。因此在转子轴的机械和热设计中提供高的设计自由度。因此转子轴可简单且可靠地适应给定的使用条件。

在一种变型方案中，转子轴芯与第一和/或第二转子轴端部轴向间隔开。因此两个转子轴端部构造为转子轴基体的组成部分。从而确保了转子轴端部的高机械稳定性，其通常构造为支承部位或类似物。

在一种实施方式中，转子轴芯通过浇注工艺被引入转子轴基体中。当在转子轴基体中制出设置用于转子轴芯的空间之后，转子轴芯以液体形式被引入该空间中。转子铁芯随后在转子轴基体内部凝固。接着可进行机械加工、如切削。尤其是可在后续步骤中通过切削加工形成冷却腔。转子轴因此可简单且低成本地制造。同时确保了转子轴芯与转子轴基体之间特别好的热接触。

在一种替代实施方式中，转子轴芯作为固体被引入转子轴基体中。例如对此将转子轴芯插入转子轴基体中。在此，已可在转子轴基体和/或转子轴芯中预制冷却腔或其至少一部分。

转子轴基体可以是两件式的，这两个转子轴基体部件优选在引入转子轴芯之后并且尤其是通过焊接相互连接。这种转子轴基体与作为固体被引入转子轴基体中的转子轴芯相结合是尤为有利的。例如转子轴基体包括转子轴主体和转子轴端部件，转子轴端部件在安装转子轴芯之后与转子轴主体连接。因此实现转子轴的简单安装。

在一种实施方式中，转子轴具有至少一个轴向连续的空气通道。空气通道尤其是平行于转子轴轴线延伸。通过空气通道进一步减小了转子轴的重量和惯性。此外，可实现转子轴的附加空气冷却。与已知的转子轴相比，尤其是与具有空腔但没有转子轴芯的转子轴相比，改善了转子轴周面与冷却腔之间的热导率。

空气通道例如可通过钻孔和/或腐蚀制造。因此其制造简单且成本低。另外，在通过侵蚀制造空气通道时可选择任意、甚至变化的横截面形状。

根据一种变型方案，所述空气通道与转子轴轴线形成锐角。因此空气通道相对于转子轴旋转轴线倾斜。当转子轴旋转时，通过空气的惯性产生吸力效应，其导致环境空气通过空气管道被吸入。对于转子轴中设置多个空气通道的情况，这些空气通道可以相同或不同的锐角设置。

空气通道可部分地在转子轴基体中并且部分地在转子轴芯中延伸。这实现转子轴在空气通道方面大的设计自由度。

此外，转子轴可具有多个、优选四至十个空气通道并且所述空气通道可沿圆周均匀地分布并且分别围绕冷却腔以相等的径向距离设置。在这种转子轴中，除了通过冷却腔进行冷却外，还提供有效的空气冷却。此外，空气冷却在径向和轴向方面是均匀的。此外，这种转子轴在轴向和径向方面是均衡的，从而不存在不平衡。

此外，所述任务通过一种具有根据本发明的转子轴的电机解决。这种电机优选是电动机、如永磁同步电机(PSM)或异步电机(ASM)。由于改善的冷却，这种电机的性能非常好。转子轴的低重量使得电机能够非常动态地被控制以及运动。

附图说明

下面参考附图中示出的各种实施例来阐述本发明。附图如下：

图1示意性示出根据第一种实施方式的根据本发明的电机的根据本发明的转子轴；

图2示意性示出根据第二种实施方式的根据本发明的电机的根据本发明的转子轴；

图3示意性示出根据第三种实施方式的根据本发明的电机的根据本发明的转子轴；

图4示意性示出沿图1和图2中的线IV-IV的横截面图，其中为清楚起见仅示出转子轴基体和转子轴芯；并且

图5示意性示出根据该横截面的第二种实施方式的根据本发明的电机的根据本发明的转子轴的横截面图。

具体实施方式

图1示出用于未详细示出的电机的转子轴10，该转子轴10包括转子轴基体12和设置在转子轴基体12中并且与转子轴基体12连接的转子轴芯14。

此外，在转子轴10中设有冷却腔16，该冷却腔在所示实施方式中是大致轴向的中心孔。

在冷却腔16中插入冷却流体喷管18，通过该冷却流体喷管将冷却流体20引入冷却腔16中。引入方向通过箭头22示出。

冷却腔16在转子轴10中基本上连续地延伸，但在背离冷却流体喷管18的端部上通过冷却流体转向件24限界。该冷却流体转向件使冷却流体20转向，如箭头26所示，以致冷却流体在转子轴10的同一侧——在该侧上冷却流体被引入冷却腔16(参见箭头22)——再次流出冷却腔16。流出通过箭头28表示。

因此冷却流体20连续地流过冷却腔16。

如果从冷却流体20进入冷却腔16的一侧开始观察冷却腔16，则冷却腔16首先在转子轴基体12中并且随后在转子轴芯14中延伸。

转子轴芯14在此与第一和/或第二转子轴端部间隔开。因此，转子轴芯也沿轴向方向居中地位于转子轴10中。

转子轴芯14由与转子轴基体12不同的材料制成。例如转子轴芯14由铝材制成并且转子轴基体12由钢材制成。

转子轴10通过如下制造：首先制造转子轴基体12。然后将液体形式的转子轴芯14注入转子轴基体12中的为此设置的空间中。随后、即在转子轴芯14凝固之后通过切削加工制造冷却腔16。

图2中示出的转子轴10的第二种实施方式与图1的实施方式不同，在其中转子轴基体12构造成两件式的。

为了制造转子轴，在该实施方式中首先制造两个转子轴基体部件12a和12b，在所示实施方式中转子轴基体部件12a构造为转子轴主体并且转子轴基体部件12b构造为转子轴端部件。

在该实施方式中转子轴芯14作为固体被定位在转子轴基体部件12a中设置的空间中。然后将两个转子轴基体部件12a和12b例如通过焊接彼此连接。

图2的转子轴10的其它特征相应于图1的那些特征，在此参考这些特征。

图3示出转子轴10的另一种实施方式，其与前述实施方式的区别在于：转子轴10具有轴向连续的空气通道30a和轴向连续的空气通道30b。

两个空气通道30a、30b在此部分地在转子轴基体12中并且部分地在转子轴芯14中延伸并且通过钻孔和/或腐蚀制成。

空气通道30a在此大致平行于转子轴轴线32延伸。

空气通道30b与转子轴轴线32形成锐角α。

在此也可想到，转子轴10仅具有一个唯一的空气通道，其是空气通道30a的类型或空气通道30b的类型。

转子轴10也可具有多个空气通道。

图5为此示例性示出转子轴10的横截面，该转子轴具有八个空气通道30c至30j。为清楚起见，在该横截面中未示出冷却流体喷管18和冷却流体20。

空气通道30c至30j沿圆周均匀分布地设置在转子轴10中并且分别具有与冷却腔16相同的径向距离。

当转子轴10进行旋转运动时，空气可流过空气通道30a至30j。因此实现了转子轴10的空气冷却。空气流动通过箭头34表示。

对于根据第三种实施方式的转子轴10的其余特征，参考图1和2的说明。

Claims

1.用于电机的转子轴(10)，该转子轴包括转子轴基体(12)和设置在该转子轴基体中、与转子轴基体(12)连接的转子轴芯(14)，其中，所述转子轴(10)具有用于引导冷却流体(20)的基本上轴向延伸的冷却腔(16)并且转子轴芯(14)由与转子轴基体(12)不同的材料制成，转子轴芯(14)的材料与转子轴基体(12)的材料相比具有较低的密度，转子轴芯(14)与两个转子轴端部轴向间隔开并且在轴向上被转子轴基体包围，

所述转子轴芯(14)通过浇注工艺被引入转子轴基体(12)中；或者所述转子轴芯(14)作为固体被引入转子轴基体(12)中，所述转子轴基体(12)是两件式的。

2.根据权利要求1所述的转子轴(10)，其特征在于，在所述冷却腔(16)中设置冷却流体喷管(18)。

3.根据权利要求1所述的转子轴(10)，其特征在于，在所述冷却腔(16)中设置冷却流体喷管(18)并且设置冷却流体转向件(24)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的转子轴(10)，其特征在于，所述转子轴芯(14)由铝材、镁材和/或塑料制成。

5.根据权利要求4所述的转子轴(10)，其特征在于，所述转子轴基体(12)由钢材制成。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的转子轴(10)，其特征在于，所述冷却腔(16)基本上居中且连续地在转子轴(10)中延伸。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的转子轴(10)，其特征在于，所述冷却腔(16)部分地在转子轴基体(12)中并且部分地在转子轴芯(14)中延伸。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的转子轴(10)，其特征在于，所述转子轴基体(12)的两个转子轴基体部件(12a、12b)在引入转子轴芯(14)之后通过焊接相互连接。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的转子轴(10)，其特征在于，所述转子轴(10)具有至少一个轴向连续的空气通道(30a-30j)。

10.根据权利要求9所述的转子轴(10)，其特征在于，所述空气通道(30a-30j)通过钻孔和/或腐蚀制成。

11.根据权利要求9所述的转子轴(10)，其特征在于，所述空气通道与转子轴轴线(32)形成锐角(α)。

12.根据权利要求9所述的转子轴(10)，其特征在于，所述空气通道部分地在转子轴基体(12)中延伸并且部分地在转子轴芯(14)中延伸。

13.根据权利要求9所述的转子轴(10)，其特征在于，所述转子轴(10)具有多个空气通道并且所述空气通道沿圆周均匀地分布并且分别围绕冷却腔(16)以相等的径向距离设置。

14.根据权利要求13所述的转子轴(10)，其特征在于，所述转子轴(10)具有四至十个空气通道。

15.电机，该电机包括根据权利要求1至14中任一项所述的转子轴(10)。