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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer einen Rotor tragenden Rotorwelle für einen Fahrzeugantriebsstrang gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
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Bei aus der Praxis bekannten elektrischen Maschinen mit jeweils einer einen Rotor tragenden Rotorwelle für Fahrzeugantriebsstränge sind die Rotorwellen jeweils über zwei Lagereinrichtungen, zwischen welchen jeweils der Rotor auf der Rotorwelle angeordnet ist, in gehäusefesten Bereichen drehbar gelagert. Die im Betrieb einer elektrischen Maschine erzeugte Wärmeleistung wird bekannterweise teilweise vom Rotor in die Rotorwelle und von der Rotorwelle wiederum in die Lagereinrichtungen eingeleitet, weshalb Lagertemperaturen und Lagerschmiermitteltemperaturen bei nicht ausreichender Kühlung der Lagereinrichtungen unter Umständen kritische Lagertemperaturen überschreiten.
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Eine zur Vermeidung der Überschreitung der kritischen Lagertemperaturen erforderliche Kühlung ist beispielsweise dann nicht im gewünschten Umfang zur Verfügung stellbar, wenn ein zur Kühlung der Lagereinrichtungen vorgesehenes Kühlmedium bauraumbedingt lediglich durch die Rotorwelle hindurch zu den Lagereinrichtungen bzw. wenigstens zu einer der Lagereinrichtungen führbar ist, da das Kühlmedium beim Durchströmen der Rotorwelle bereits mit der Abwärme des Rotors beaufschlagt wird und die Kühlleistung im Bereich der wenigstens einen Lagereinrichtung begrenzt ist.
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Aus diesem Grund werden Lagereinrichtungen von elektrischen Maschinen bzw. wenigstens eine der Lagereinrichtungen üblicherweise ohne separate Kühlung betrieben, was sich jedoch bei herkömmlichen Anordnungen der Lagereinrichtung nachteilig auf die Lebensdauer der Lagereinrichtungen auswirkt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine mit einer einen Rotor tragenden Rotorwelle für einen Fahrzeugantriebsstrang zur Verfügung zu stellen, wobei wenigstens eine der Lagereinrichtungen der Rotorwelle im Betrieb der elektrischen Maschine ohne zusätzliche Kühlung oder mit nur geringfügiger Kühlung unterhalb einer kritischen Lagertemperatur betreibbar ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einer einen Rotor tragenden Rotorwelle für einen Fahrzeugantriebsstrang, die über zwei Lagereinrichtungen, zwischen welchen der Rotor auf der Rotorwelle angeordnet ist, in gehäusefesten Bereichen drehbar gelagert ist, ist wenigstens eine der Lagereinrichtungen auf einem gegenüber einem Durchmesserbereich der Rotorwelle, auf dem der Rotor angeordnet ist, reduzierten Durchmesserbereich der Rotorwelle vorgesehen.
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Die auf dem reduzierten Durchmesserbereich angeordnete Lagereinrichtung ist bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine von dem im Betrieb der elektrischen Maschine eine Wärmequelle darstellenden Rotor durch die Reduzierung des Durchmessers der Rotorwelle im Bereich zwischen dem Rotor und der Lagereinrichtung zumindest teilweise thermisch entkoppelt. Durch die Reduzierung des Durchmessers der Rotorwelle ist der Wärmestrom zwischen dem den Rotor tragenden Durchmesserbereich der Rotorwelle und dem reduzierten Durchmesserbereich der Rotorwelle, auf dem die Lagereinrichtung angeordnet ist, der vom Rotor über die Rotorwelle in Richtung der Lagereinrichtung geführt wird, auf konstruktiv einfache Art und Weise kostengünstig begrenzt, womit eine Überschreitung einer kritischen Temperatur im Bereich der Lagereinrichtung ohne zusätzliche erzwungene Kühlung oder mit nur geringfügiger Kühlung vermieden wird.
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Ist zwischen dem den Rotor tragenden Durchmesserbereich und dem reduzierten Durchmesserbereich der Rotorwelle, auf dem die Lagereinrichtung angeordnet ist, ein weiterer Durchmesserbereich der Rotorwelle vorgesehen, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des den Rotor tragenden Durchmesserbereiches und dessen Durchmesser größer oder gleich groß ist als der Durchmesser des reduzierten Durchmesserbereiches, ist einerseits die thermische Abkopplung der Lagereinrichtung, die auf dem reduzierten Durchmesserbereich vorgesehen ist, vom Rotor in gewünschtem Umfang begrenzbar und die Lagereinrichtung innerhalb eines zulässigen Temperaturbereiches betreibbar und andererseits die Lagereinrichtung auf der Rotorwelle ohne zusätzliche konstruktive Maßnahmen in axialer Richtung definiert anordenbar.
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Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, bei welchen eine gute thermische Entkopplung erreicht wird, entspricht eine Länge des weiteren Durchmesserbereiches oder der definierte Abstand zwischen der auf dem reduzierten Durchmesserbereich vorgesehenen Lagereinrichtung und dem den Rotor tragenden Durchmesserbereich der Rotorwelle mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 66% des axialen Abstandes zwischen dem Rotor und der auf dem reduzierten Durchmesserbereich vorgesehenen Lagereinrichtung.
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Ist die auf dem reduzierten Durchmesserbereich vorgesehene Lagereinrichtung als Loslager ausgebildet, ist die Anordnung der Lagereinrichtung auf einem gegenüber dem Durchmesserbereich der Rotorwelle, auf dem der Rotor angeordnet ist, reduzierten Durchmesserbereich auf einfache Art und Weise durchführbar, da von der Rotorwelle im Bereich der als Loslager ausgeführten Lagereinerichtung geringere Lagerkräfte aufzunehmen sind als bei einer als Festlager ausgeführten Lagereinrichtung.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist die auf dem reduzierten Durchmesserbereich vorgesehene Lagereinrichtung in einem als Gehäusedeckel ausgebildeten gehäusefesten Bereich abgestützt und die thermische Abkopplung der Lagereinrichtung von dem eine Wärmequelle darstellenden Rotor besonders vorteilhaft, da in diesem Bereich eine zusätzliche erzwungene Kühlung der Lagereinrichtung nur mit erheblichem Aufwand und bekannterweise lediglich mit begrenzter Kühlleistung realisierbar ist.
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Die auf dem reduzierten Durchmesserbereich vorgesehene Lagereinrichtung ist bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in axialer Richtung der Rotorwelle an einem Wellenabsatz der Rotorwelle angeschultert und somit ohne zusätzliche konstruktive Maßnahmen in axialer Richtung auf der Rotorwelle definiert anordenbar, wobei der Wellenabsatz auch als Anlageschulter für die Lagereinrichtung vorgesehen sein kann.
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Die thermische Abkopplung der auf dem reduzierten Durchmesserbereich vorgesehenen Lagereinrichtung von dem Rotor ist bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der elektrischen Maschine dadurch erhöht, dass die Lagereinrichtung in axialer Richtung fest auf der Rotorwelle im Bereich des reduzierten Durchmesserbereiches und mit vordefiniertem Abstand von dem den Rotor tragenden Durchmesserbereich der Rotorwelle angeordnet ist, da die den Wärmetransport durch die Rotorwelle bestimmende Querschnittsfläche der Rotorwelle über die definierte axiale Länge der Rotorwelle gegenüber dem den Rotor tragenden Durchmesserbereich reduziert ist und der Wärmefluss ausgehend vom Rotor in Richtung der Lagereinrichtung in gewünschtem Umfang limitiert ist.
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Ist die Rotorwelle als Hohlwelle ausgebildet, ist die thermische Abkopplung zwischen der auf den reduzierten Durchmesserbereich vorgesehen Lagereinrichtung und dem Rotor mittels der Durchmesserreduzierung der Rotorwelle im Bereich der Lagereinrichtung besonders vorteilhaft.
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Eine durch einen in axialer Richtung geringen Bauraumbedarf gekennzeichnete vorteilhafte Ausführungsform der elektrischen Maschine ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindungseinrichtung zwischen einem Stator der elektrischen Maschine und einer Leistungselektronik auf der der Lagereinrichtung, die auf dem reduzierten Durchmesserbereich angeordnet ist, zugewandten Seite des Rotors vorgesehen ist. Der in axialer Richtung geringe Bauraumbedarf der elektrischen Maschine wird dadurch erreicht, dass die Verbindungseinrichtung dann in einem den reduzierten Durchmesserbereich der Rotorwelle radial umgebenden und nicht genutzten Bereich angeordnet wird.
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Die Rotorwelle der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist entweder mit einer Getriebeeingangswelle eines Fahrzeugantriebsstranges oder mit einem Bereich einer antreibbaren Fahrzeugachse zur Darstellung eines Achshybrids eines Fahrzeuges in Wirkverbindung bringbar, um ein im Bereich der elektrischen Maschine zur Verfügung stellbares Drehmoment in einen Fahrzeugantriebsstrang einleiten zu können.
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Des Weiteren kann die elektrische Maschine auch ein Antriebsaggregat eines seriellen Hybridfahrzeugantriebstranges sein, um ein mit dem seriellen Hybridfahrzeugantriebsstrang ausgeführtes Fahrzeug antreiben zu können.
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Sowohl die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale als auch die im nachfolgenden Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine angegebenen Merkmale sind jeweils für sich alleine oder in beliebiger Kombination miteinander geeignet, den erfindungsgemäßen Gegenstand weiterzubilden. Die jeweiligen Merkmalskombinationen stellen hinsichtlich der Weiterbildung des Gegenstandes nach der Erfindung keine Einschränkung dar, sondern weisen im Wesentlichen lediglich beispielhaften Charakter auf.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und dem unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine stark schematisierte Teildarstellung einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in einer Teillängsschnittansicht.
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In der Figur ist eine elektrische Maschine 1 mit einer einen Rotor 2 tragenden Rotorwelle 3 für einen Fahrzeugantriebsstrang in einer stark schematisierten Teillängsschnittansicht gezeigt. Die Rotorwelle 3 ist über zwei Lagereinrichtungen 4, 5, zwischen welchen der Rotor 2 auf der Rotorwelle 3 angeordnet ist, in gehäusefesten Bereichen 6, 7 drehbar gelagert. Die Rotorwelle 3 ist vorliegend als Hohlwelle ausgeführt und weist drei Durchmesserbereiche 8 bis 10 auf. Dabei ist der Rotor 2 im Bereich des Durchmesserbereiches 8 fest mit der Rotorwelle 3 verbunden und der Durchmesserbereich 8 ist mit einem größeren Durchmesser als die beiden weiteren Durchmesserbereiche 9 und 10 ausgeführt. Der Durchmesserbereich 9 ist zwischen dem den Rotor 2 tragenden Durchmesserbereich 8 und dem Durchmesserbereich 10 vorgesehen, auf dem die vorliegend als Loslager ausgeführte Lagereinrichtung 5 angeordnet ist. Der Durchmesser des Durchmesserbereiches 9 ist wiederum größer als der Durchmesser des Durchmesserbereiches 10. Die als Festlager ausgebildete Lagereinrichtung 4 ist vorliegend auf der Rotorwelle 3 ebenfalls auf einem den Durchmesser des Durchmesserbereiches 8 aufweisenden Durchmesserbereich der Rotorwelle 3 montiert und in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles zur Vermeidung einer kritischen Lagertemperatur über eine zusätzliche Kühleinrichtung temperierbar.
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Die elektrische Maschine 1 stellt bei einer ersten Ausführungsform eine eine Brennkraftmaschine ersetzende Antriebsmaschine eines Fahrzeugantriebsstranges dar, wobei ein von der elektrischen Maschine 1 zur Verfügung. gestelltes Drehmoment im Bereich eines Abtriebs des Fahrzeugantriebsstranges als Antriebsmoment oder als Schubmoment zur Verfügung stellbar ist. Hierfür ist die Rotorwelle 3 vorzugsweise mit einer Getriebeeingangswelle einer Getriebeeinrichtung, in deren Bereich eine oder mehrere Übersetzungen für Vorwärts- und Rückwärtsfahrt darstellbar sind, in Wirkverbindung bringbar.
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Die elektrische Maschine 1 ist auch im Bereich einer antreibbaren Fahrzeugachse zur Darstellung eines Achshybrides einsetzbar, um im Bereich der antreibbaren Fahrzeugachse ebenfalls ein Zug- oder Schubmoment zur Verfügung stellen zu können. Zusätzlich besteht auch die Möglichkeit, die elektrische Maschine in einem seriellen Hybridfahrzeugantriebsstrang einzusetzen, wobei das von der elektrischen Maschine 1 zur Verfügung stellbare Drehmoment dann für einen Antrieb oder eine Verzögerung, d. h. Bremsung des mit dem seriellen Hybridfahrzeugantriebsstrang ausgeführten Fahrzeuges verwendbar ist.
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Die Lagereinrichtung 5 ist vorliegend in dem als Gehäusedeckel ausgeführten gehäusefesten Bereich 7 gehäuseseitig abgestützt. Um die im Betrieb der elektrischen Maschine 1 im Bereich des Rotors 2 bzw. dessen Rotorblechpakets entstehende Abwärme in begrenztem Umfang in Richtung der Lagereinrichtung 5 zu führen, ist die Rotorwelle 3 auf der der Lagereinrichtung 5 zugewandten Seite mit den beiden gegenüber dem Durchmesserbereich 8 mit reduzierten Durchmessern ausgeführten Durchmesserbereichen 9 und 10 ausgebildet. Aufgrund der Durchmesserreduzierung der Rotorwelle 3 gegenüber dem Durchmesserbereich 8 weist die Rotorwelle 3 im Bereich des Durchmesserbereiches 9 und des Durchmesserbereiches 10 jeweils eine verringerte Querschnittsfläche auf, womit der ausgehend vom Rotor 2 in Richtung der Lagereinrichtung 5 über die Rotorwelle 3 geführte Wärmestrom gegenüber einer mit gleichmäßigem Durchmesser ausgeführten Rotorwelle reduziert ist und eine Erwärmung der Lagereinrichtung 5 im Betrieb der elektrischen Maschine 1 minimiert ist. Diese Gestaltung der Rotorwelle 3 ermöglicht, die Lagereinrichtung 5 auch ohne zusätzliche erzwungene Kühlung oder mit nur geringfügiger Kühlung auf einfache Art und Weise innerhalb eines zulässigen Betriebstemperaturbereiches betreiben zu können.
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Der Durchmesser des Durchmesserbereiches 8, auf dem der Rotor 2 angeordnet ist, ist durch den Innendurchmesser des Rotors 2 konstruktiv vorgegeben. Im Übergangsbereich zwischen dem Durchmesserbereich 8 und dem sich daran anschließenden weiteren Durchmesserbereich 9 wird zur Erzielung einer effektiven thermischen Entkopplung der Lagereinrichtung 5 vom Rotor 2 ein möglichst großer Durchmessersprung im Bereich der Rotorwelle 3 vorgesehen, wobei der minimal darstellbare Durchmesser des Durchmesserbereiches 9 durch den Durchmesserbereich 10 begrenzt ist, jedoch oftmals von Lagerherstellern als Anlageschulter für die Lagereinrichtung 5 oder durch konstruktive Gestaltung der Rotorwelle 3 in Abhängigkeit einer maximalen Wellendurchbiegung, Schleuderdrehzahltest und einer erforderlichen Wellenfestigkeit vorgegeben ist und nicht unterschritten werden kann.
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Um den vom Rotor 2 in Richtung der Lagereinrichtung 5 ausgehenden Wärmestrom in erforderlichem Umfang reduzieren zu können, ist eine axiale Länge des weiteren Durchmesserbereiches 9 im Rahmen eines zur Verfügung stehenden axialen Bauraumes möglichst groß auszuführen, wobei mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 66% des axialen Abstandes zwischen dem Rotor 2 bzw. dessen Rotorblechpakets und der Lagereinrichtung 5 besonders vorteilhaft sind.
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Die axiale Länge der Rotorwelle 3 ist aufgrund des bevorzugten axialen Abstandes L zwischen der Lagereinrichtung 5 und dem Wellenabsatz zwischen dem den Rotor 2 tragenden Durchmesserbereich 8 und dem weiteren Durchmesserbereich 9 oder des reduzierten Durchmesserbereiches 10 im Vergleich zu aus der Praxis bekannten elektrischen Maschinen unter Umständen vergrößert. Um einen axialen Bauraumbedarf der elektrischen Maschine 1 gegenüber herkömmlichen Ausführungen elektrischer Maschinen nur unwesentlich zu vergrößern oder im Wesentlichen gleich ausführen zu können, ist eine Verbindungseinrichtung 11 zwischen einem Stator 12 und einer Leistungselektronik 13 auf der der Lagereinrichtung 5, die auf dem reduzierten Durchmesserbereich 10 angeordnet ist, zugewandten Seite des Rotors 2 in einem den weiteren Durchmesserbereich 9 und/oder den reduzierten Durchmesserbereich 10 radial umgebenden Bereich der elektrischen Maschine 1 vorgesehen.
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In Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles ist die Lagereinrichtung 5 über einen Presssitz oder über eine Verklebung fest mit der Rotorwelle 3 verbunden. Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit, dass eine Lagerinnenring-Lauffläche der Lagereinrichtung 5 in die Rotorwelle 3 integriert ist. Bei allen letztgenannten Ausführungsformen der elektrischen Maschine 1 ist die durch den Durchmesserübergang zwischen dem Durchmesserbereich 9 und dem Durchmesserbereich 10 zur Verfügung stehende Lagerschulter für die Lagereinrichtung 5 nicht erforderlich, weshalb der Durchmesser der Rotorwelle 3 bereits am Übergang zwischen dem Durchmesserbereich 8 und dem weiteren Durchmesserbereich 9 auf das Durchmesserniveau des reduzierten Durchmesserbereiches 10, in dessen Bereich die Lagereinrichtung 5 vorgesehen ist, führbar ist.
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Um auch hier eine besonders gute thermische Entkopplung zwischen der Lagereinrichtung 5 und dem Rotor 2 zur Verfügung stellen zu können, wird vorgeschlagen, die Lagereinrichtung 5 auf der dann lediglich mit dem den Rotor 2 tragenden Durchmesserbereich 8 und dem die Lagereinrichtung 5 aufnehmenden Durchmesserbereich 10 ausgeführten Rotorwelle 3 mit dem Abstand L vom Wellenabsatz zwischen dem Durchmesserbereich 8 und dem Durchmesserbereich 10 anzuordnen.
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Generell wird bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 durch die Begrenzung des Querschnitts der Rotorwelle 3 zwischen der Lagereinrichtung 5 und dem Rotor 2 vorzugsweise über die Länge L der Wärmestrom ausgehend vom Rotor 2 über das Wellenmaterial der Rotorwelle 3 in Richtung der Lagereinrichtung 5 gegenüber aus der Praxis bekannten elektrischen Maschinen deutlich begrenzt. Der Rotor 2 gibt seine durch Verluste entstehende Betriebswärme über andere Transferpfade an die Umgebung des Rotors 2, wie das Gehäuse der elektrischen Maschine 1 und/oder einen optionalen zusätzlichen Kühler sowie weitere den Rotor 2 umgebende Bauteile ab, womit die Betriebstemperatur der Lagereinrichtung 5 gegenüber bekannten Ausführungen von elektrischen Maschinen 1 verringert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromotor
- 2
- Rotor
- 3
- Rotorwelle
- 4
- Lagereinrichtung
- 5
- Lagereinrichtung
- 6
- gehäusefester Bereich
- 7
- gehäusefester Bereich
- 8
- Durchmesserbereich
- 9
- weiterer Durchmesserbereich
- 10
- reduzierter Durchmesserbereich
- 11
- Verbindungseinrichtung
- 12
- Stator
- 13
- Leistungselektronik
- L
- definierter axialer Abstand
