CN111095746B - 用于电机的多部件转子轴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电机(21)的多部件转子轴(1)。该多部件转子轴(1)包括具有第一端部凸缘(3)并且具有第一轴向通路孔(15)的第一轴颈(2)、具有第二端部凸缘(5)的第二轴颈(4)、用于叠片式转子铁芯(7)的中空承载件(6)、用于传导冷却介质的管线元件(9)、以及将该承载件(6)与该管线元件(9)之间的空腔(8)划分成第一部分空腔(13)和第二部分空腔(14)的分隔元件(11)。

Description

用于电机的多部件转子轴

本发明涉及一种用于电机的多部件转子轴。本发明还涉及一种转子和电机。

用于电机的多部件转子轴是已知的。这种转子轴通常包括由两个端部上的端部凸缘终止的圆柱形壳体，其中轴颈位于每个端部凸缘处。通常，至少在端部凸缘中的一个端部凸缘中、特别是在轴颈中设置有同轴出入孔，以形成使介质到由圆柱形壳体包围的轴腔的出入口。这种中空转子轴可以特别地用于结构应当尽可能轻量化的情况。

特别地，为了冷却转子，冷却介质可以被引导穿过中空转子轴。在这种背景下，参考例如DE 10 2014 107 845 A1，其描述了冷却介质经由管道供应到空腔、以及经由出口再次被排出。然而，这种类型的冷却在某些情况下可能是不充分的，并且与电动机的结构复杂性和运行性能方面的恶化不成比例。

另外，已知的是其中介质(例如润滑剂或冷却剂)必须从一端输送到另一端的电机。在这种情况下，转子具有纯传导功能，中空轴(本身是众所周知的)几乎不适合该功能。在具有传导功能的此类机器中，由于管线截面被显著加宽，可能发生由于中空轴中介质的膨胀和中空轴内部的湍流导致的运行不规则。而且，完全充满液体介质的中空轴可能再次抵消重量减轻的益处。特别地，用液体填充中空圆柱体在使用电机时可能对电机的转动惯性矩有负面影响。

还已知用于将冷却介质传导和分配到热传递表面的各种解决方案，其中大部分解决方案需要冷却介质在通道或孔中完全传导(被设计成强制传导)过整个轴向和径向路径长度。

最后，已知的冷却装置具有以下缺点中的至少一个：一方面，为了降低体积要求，为冷却介质提供的管线的截面选择得太小。这里，如此小的通路孔几乎不能减轻待冷却的转子轴的重量。而且，由于所涉及的面积小，冷却介质只能少量地传导到待冷却的部件，特别是传导到被大大加热的转子铁芯。冷却剂通常只覆盖受热表面的较小面积，并且不能在整个区域广泛扩散。

另一方面，转子轴中较大的管线截面和空腔不仅可能导致较大的热传递面积，而且还允许特别轻量的结构。然而，在这种情况下的缺点是，在操作中，中空圆柱体必须几乎完全充满冷却剂，因为冷却剂需求更高，从而进而导致移动质量增加，这是轻量的结构所旨在避免的。

因此，本发明的目的可以是提供一种结构简单的用于电机的多部件转子轴，其中该转子轴可以以低成本生产、被构造成中空轴，并且在提供有效的冷却功能和传导功能的同时，以轻重量提供良好的运行性能。

这个目的通过独立专利权利要求的主题来实现。从属权利要求、以下描述以及附图涉及有利的实施例。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于电机的多部件转子轴。该多部件转子轴包括具有第一端部凸缘并且具有轴向通路孔的第一轴颈、具有第二端部凸缘的第二轴颈、用于叠片式转子铁芯的中空承载件、用于传导冷却介质的管线元件、以及分隔元件。

用于该叠片式转子铁芯的承载件被布置在该第一轴颈与该第二轴颈之间，其中该承载件、该第一端部凸缘、以及该第二端部凸缘在它们之间界定了空腔。这些轴颈可以旋转固定地连接到该承载件，使得当这些轴颈旋转时，该承载件也旋转。类似地，该管线元件可以旋转固定地连接到该承载件和/或连接到这些端部凸缘，使得当这些轴颈旋转时，该管线元件也旋转。

另外，该管线元件在该空腔内部形成冷却通道，其中该冷却通道连接到该第一轴向通路孔、在该第一轴颈与该第二轴颈之间延伸、并且连接到在该承载件与该管线元件之间形成的空腔的外部部分。

而且，该分隔元件将该空腔的外部部分划分成在该第一轴颈一侧的第一部分空腔(“左部分空腔”)和在该第二轴颈一侧的第二部分空腔(“右部分空腔”)。这实现了特别刚性的设计。另外，有助于支持转子的内部中的冷却介质供应。特别地，分隔元件可以相对于转子轴或管线元件的纵向方向居中布置。在这个位置，分隔元件可以产生特别对称布置的具有相同容积的部分空腔。居中布置还允许对分隔元件特别地对称施加力。

根据本发明的转子轴保证通过中空转子轴传输介质，特别是传输流体(例如润滑剂或冷却剂)、特别是绝缘冷却流体(比如油，还可以是油雾或气体)。

特别地，可以提供的是不进行完全冲洗，而仅仅用冷却流体覆盖待冷却的表面。因此，在少量冷却剂和相应的小体积流量的情况下，流过整个轴空腔的量仅足以只覆盖热交换所必需的内表面、特别是承载件的壳体内表面。因为较小量的冷却剂，所以运动质量以及因此惯性矩仅发生相应最小的增加。

特别地，热量可以在叠片式转子铁芯的区域中消散。可以提供的是，介质经由用作介质入口的第一轴向通路孔单侧地引入到管线元件的冷却通道中，从该冷却通道中介质可以被供应到第一部分空腔和第二部分空腔，使得介质可以覆盖承载件的壳体内表面以使其冷却。以这样的方式，转子轴可以从内部被冷却。

随着温度的相应降低，对于所限定的部件极限温度，可以实现转子的更高功率，使得可以实现电机的改进的功率重量比或功率体积比。因此，本发明允许转子的轻量化设计，而几乎不使用冷却剂并且具有特别有效的冷却。特别有利的是，不管冷却剂含量如何，要旋转的质量可以保持较低。转子的低重量对于驱动效率特别重要，因为这是旋转部件。这也在加速过程期间提供了效率优势。另外，有效的转子冷却可以允许在使用永磁体时降低温度等级，这具有节约的潜力。

管线元件的特别优点是，为了实施冷却构思和传导功能(也作为模块化解决方案)，只需要对所安装的转子进行轻微的结构性改变。附加管线元件可以集成在转子轴中、并且经由简单的连接几何形状连接到供应管线，以便用最少数量的附加部件实现简单的冷却系统结构或传导结构。

一种已知的用于减轻转子重量的方法是冲压出非活性堆叠区的部分区域。然而，根据本发明，创建了一种架构，该架构被限制为主动偏转磁通量的叠片堆截面。以这样的方式，转子的重量、因此其质量惯性矩可以被显著减小。可以选择叠片堆的最大孔直径。然而，可以省略转子轴与活性电片材料之间的非活性填充材料。而是，管线元件用于承载件中，用于以旋转固定的方式接纳叠片式转子铁芯，以便将非常低的重量与大的表面积相结合，并且因此将轻量化设计与最佳转子冷却相链接。

根据一个实施例，提供的是第一部分空腔经由管线元件的至少一个第一孔连接到冷却通道，并且第二部分空腔经由管线元件的至少一个第二孔连接到冷却通道。特别地，管线元件可以包括若干第一孔和若干第二孔，这些孔各自在圆周方向上彼此间隔开布置。冷却介质可以经由孔从冷却通道供应到第一部分空腔和第二部分空腔。当管线元件旋转时，所得到的离心力可以将冷却介质从孔中抛到部分空腔中。

根据另外的实施例，提供的是第一端部凸缘具有用于从第一部分空腔排出冷却介质的至少一个第一开口，并且其中，第二端部凸缘具有用于从第二部分空腔排出冷却介质的至少一个第二开口。这些开口允许被引入到部分空腔中的冷却介质再次从那里排出。以这样的方式，可以以特别简单的方式生产冷却介质回路。

另外，有利地，可以提供的是分隔元件在径向方向上从管线元件突出。这实现了允许高稳定性的特别刚性的设计。

此外，有利的是，可以提供分隔元件一体地连接到管线元件。这特别地可以改进管线元件与分隔元件之间的连接。

在一个实施例中，另外，提供了外部泵，该外部泵被布置在转子轴外部，并且被构造成将冷却介质输送通过轴向通路孔、冷却通道、第一部分空腔并且通过第二部分空腔。这个实施例有助于保持旋转质量特别低，这对于转子轴的质量惯性矩是特别有利的。

在另外的实施例中，另外，提供了内部泵，该内部泵被布置在转子轴内部并且由转子轴驱动，并且被构造成将冷却介质输送通过轴向通路孔、冷却通道、第一部分空腔并且通过第二部分空腔。此实施例特别地有助于实现冷却介质的特别有效的传输，因为内部泵不需要外部能源、并且可以特别简单地实施。

在这种背景下，特别地，提供的是内部泵包括双抽吸泵叶轮，该双抽吸泵叶轮旋转固定地连接到管线元件。双抽吸泵叶轮可以特别实施为径向叶轮。双抽吸泵叶轮的区别之处可以特别地在于两个叶轮彼此镜像对称地布置。

因此，特别有利的是，可以提供的是双抽吸泵叶轮包括第一叶轮和第二叶轮。这里，第一叶轮可以被布置在第一部分空腔内部，并且被构造成经由管线元件的至少一个第一孔将冷却通道中存在的冷却介质输送到第一部分空腔中。类似地，第二叶轮可以被布置在第二部分空腔内部，并且被构造成经由管线元件的至少一个第二孔将冷却通道中存在的冷却介质输送到第二部分空腔中。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于电机的转子。该转子包括根据本发明第一方面的多部件转子轴、以及旋转固定地安装在该多部件转子轴的承载件上的叠片式转子铁芯。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于车辆的电机。该电机包括根据本发明第二方面的转子。车辆例如是机动车辆(比如汽车、客车或卡车)、或者轨道车辆、轮船、飞行器(比如直升机或飞机)、或者例如自行车。

具有理想散热的电机可以被构造得相对较小而冷却基本上不会影响加速行为、并且仍然可以提供高的永久电功率或相应高的永久扭矩，该电机理想地用于在机动车辆、特别是用于车辆的电动或混合动力传动系中，因为这里的关键要求之一是具有最小安装空间的高性能容量。因此，根据本发明的电机在该领域具有其优选的应用，因为它用于机动车辆传动系(特别是作为电动机、发电机和/或电动发电机)、用于串联或并联混合传动系中、以及还用于纯电动传动系中。

下面将基于部分示意图更详细地讨论本发明的示例性实施例。这些附图示出：

图1是根据本发明的、具有第一部分空腔和第二部分空腔以及外部泵的转子轴的示例性实施例的纵向剖视图，并且

图2是根据本发明的、具有第一部分空腔和第二部分空腔以及内部泵的转子轴的示例性实施例的纵向剖视图。

图1示出了转子轴1，该转子轴被形成为中空轴。转子轴1包括具有第一端部凸缘3的第一轴颈2和具有第二端部凸缘5的第二轴颈4。转子轴1还包括中空承载件6，其中承载件6旋转固定地接纳叠片式转子铁芯7，该叠片式转子铁芯在径向方向r上围绕承载件6。中空承载件6可以是管状的，其中承载件6的截面(从其背离彼此指向的两个端面开始)朝向承载件6的中部增加。以这样的方式，承载件6在连接到分隔元件11(参见下文)的区域中的稳定性增加。转子轴1和叠片式转子铁芯7一起形成用于电机的转子(未详细示出)。

第一端部凸缘3在第一端面上终止管状承载件6，如图1中左边所示。第二端部凸缘5在第二端面上终止管状承载件6，如图1中右边所示。特别地，承载件6可以旋转固定地连接到端部凸缘3、5。

空腔8被界定在管状承载件6、第一端部凸缘3和第二端部凸缘5之间。管线元件9被布置在空腔8内并且形成冷却通道10，在图1中示出的示例性实施例中，该冷却通道围绕转子轴1的纵向轴线L同轴延伸。在所示的示例性实施例中，管线元件9旋转固定地连接到端部凸缘3、5。

分隔元件11从管线元件9垂直地突出。分隔元件11或管线元件9搁置在承载件6的壳体内表面12上，并且在此区域中可以特别地通过力配合连接到承载件6。另外，分隔元件11可以一体地连接到管线元件，如图1所示。另外，在其形成分隔元件11的地方，管线元件可以具有更大的材料厚度，以便提供特别刚性的设计。

空腔8的自由径向外部部分保持在管线元件9和承载件6的壳体内表面12之间。分隔元件11将空腔8的此外部部分划分成第一部分空腔13和第二部分空腔14。第一部分空腔13(“左部分空腔”)在图1中面向第一轴颈2的左侧上，而第二部分空腔14(“右部分空腔”)在图1中面向第二轴颈4的右侧上。

第一轴颈2具有与冷却通道10流体连接的轴向通路孔15。在所示的示例性实施例中，冷却通道10具有总共四个第一径向孔16，这些孔被布置成在圆周方向上彼此偏移90°，并且被布置成在纵向方向L上在图1的左边与分隔元件11相邻。类似地，在所示的示例性实施例中，冷却通道10还具有总共四个第二径向孔17，这些孔被布置成在圆周方向上彼此偏移90°，并且被布置成在纵向方向L上在图1的右边与分隔元件11相邻。第一部分空腔13经由第一孔16连接到冷却通道10，并且第二部分空腔14经由第二孔17连接到冷却通道10。

第一端部凸缘3具有若干第一开口18，这些第一开口将第一部分空腔13连接到转子轴1的环境。特别地，第一开口18可以将第一部分空腔13连接到电机的外壳内的净空间(未示出)。第一开口18特别地实现了从第一部分空腔13排出冷却介质的功能。类似地，第二端部凸缘5具有若干第二开口19，这些第二开口将第二部分空腔14连接到转子轴1的环境。

电机还可以包括被布置在转子轴1外部的外部泵20。外部泵20不需要由转子轴1驱动。借助于泵20，冷却介质(例如冷却流体，比如油但也可以是油雾)可以输送通过轴向通路孔15、冷却通道10、第一部分空腔13并且通过第二部分空腔14。冷却介质因此从冷却通道10经由第一径向孔16进入第一部分空腔13，并且经由第二径向孔17进入第二部分空腔14。

冷却介质可以经由第一开口18再次从第一部分空腔13排出，并且冷却介质可以经由第二开口19再次从第二部分空腔14排出。然后，冷却介质可以被泵20再次吸入并且供应回到轴向通路孔15，以便因此创建冷却介质回路。冷却介质的可能流动路径在图1中用流动箭头21展示。

图2示出了具有中空转子轴1的替代性转子，该转子轴在原理上是与图1的转子轴1相类似地构造的。然而，图2中的构型与图1中的构型的不同之处在于不存在外部泵20。而是提供了内部泵21，该内部泵被布置在空腔8内部并且由管线元件9驱动。

内部泵21包括双抽吸泵叶轮(在所示的示例性实施例中，为径向叶轮)，该双抽吸泵叶轮旋转固定地连接到管线元件9。双抽吸泵叶轮包括第一叶轮22和第二叶轮23，其中叶轮22、23彼此镜像对称地布置。第一叶轮22被布置在第一部分空腔13内部，并且第二叶轮23被布置在第二部分空腔14内部。两个叶轮22、23旋转固定地连接到管线元件9。当轴颈2、3旋转时，管线元件9和叶轮22和23也因此旋转。

旋转叶轮22和23产生抽吸力，借助于该抽吸力冷却剂可以通过轴向通路孔15输送到冷却通道10中。冷却通道10内的冷却剂可以通过抽吸力经由第一/第二孔16/17被进一步吸入，并且被输送到第一/第二部分空腔13/14中。另一方面，叶轮22和23产生压力，借助于该压力，输送到部分空腔13、14中的冷却剂可以经由相对应的开口18/19输送出空腔8。

Claims (9)

1.一种用于电机的多部件转子轴(1)，该多部件转子轴(1)包括：

-具有第一端部凸缘(3)并且具有轴向通路孔(15)的第一轴颈(2)，

-具有第二端部凸缘(5)的第二轴颈(4)，

-用于叠片式转子铁芯(7)的中空承载件(6)，

-用于传导冷却介质的管线元件(9)，以及

-分隔元件(11)，

其中，

-用于该叠片式转子铁芯(7)的承载件(6)被布置在该第一轴颈(2)与该第二轴颈(4)之间，

-该承载件(6)、该第一端部凸缘(3)、以及该第二端部凸缘(5)在它们之间界定了空腔(8)，

-该管线元件(9)在该空腔(8)内形成冷却通道(10)，其中该冷却通道(10)连接到该轴向通路孔(15)、在该第一轴颈(2)与该第二轴颈(4)之间延伸、并且连接到在该承载件(6)与该管线元件(9)之间形成的空腔(8)的外部部分，并且

-该分隔元件(11)将该空腔(8)的外部部分划分成在该第一轴颈(2)一侧的第一部分空腔(13)和在该第二轴颈(4)一侧的第二部分空腔(14)，

其中，该第一部分空腔(13)经由该管线元件(9)的至少一个第一孔(16)连接到该冷却通道(10)，并且其中，该第二部分空腔(14)经由该管线元件(9)的至少一个第二孔(17)连接到该冷却通道(10)，该第一端部凸缘(3)具有用于从该第一部分空腔(13)排出冷却介质的至少一个第一开口(18)，并且其中，该第二端部凸缘(5)具有用于从该第二部分空腔(14)排出冷却介质的至少一个第二开口(19)。

2.如权利要求1所述的多部件转子轴(1)，其中，该分隔元件(11)在径向方向(r)上从该管线元件(9)突出。

3.如权利要求1所述的多部件转子轴(1)，其中，该分隔元件(11)一体地连接到该管线元件(9)。

4.如权利要求1所述的多部件转子轴(1)，还包括外部泵(20)，该外部泵被布置在该转子轴(1)外部，并且被构造成将冷却介质输送通过该轴向通路孔(15)、该冷却通道(10)、该第一部分空腔(13)并且通过该第二部分空腔(14)。

5.如权利要求1所述的多部件转子轴(1)，还包括内部泵(21)，该内部泵被布置在该转子轴(1)内部并且由该转子轴(1)驱动，并且被构造成将冷却介质输送通过该轴向通路孔(15)、该冷却通道(10)、该第一部分空腔(13)并且通过该第二部分空腔(14)。

6.如权利要求5所述的多部件转子轴(1)，其中，该内部泵(21)包括双抽吸泵叶轮，该双抽吸泵叶轮旋转固定地连接到该管线元件(9)。

7.如权利要求6所述的多部件转子轴(1)，其中，

-该双抽吸泵叶轮包括第一叶轮(22)和第二叶轮(23)，

-该第一叶轮(22)被布置在该第一部分空腔(13)内部，并且被构造成经由该管线元件(9)的至少一个第一孔(16)将该冷却通道(10)中存在的冷却介质输送到该第一部分空腔(13)中，并且

-该第二叶轮(23)被布置在该第二部分空腔(14)内部，并且被构造成经由该管线元件(9)的至少一个第二孔(17)将该冷却通道(10)中存在的冷却介质输送到该第二部分空腔(14)中。

8.一种用于电机的转子，该转子包括如前述权利要求中任一项所述的多部件转子轴(1)和旋转固定地安装在该多部件转子轴(1)的承载件(6)上的叠片式转子铁芯(7)。

9.一种用于车辆的电机，该电机包括如权利要求8所述的转子。

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