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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine rotierende elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor oder einen Generator, beispielsweise einen Startergenerator. Sie betrifft ferner eine Motor-Getriebe-Einheit.
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In modernen Kraftfahrzeugen werden zunehmend Elektromotoren verbaut. Sie werden dabei insbesondere als im Antriebsstrang vollintegrierte Antriebsmotoren oder in Hybridanwendungen beispielsweise auch als Startergeneratoren eingesetzt. Dabei kommen insbesondere fremd- oder permanenterregte Synchronmaschinen oder Asynchronmaschinen zum Einsatz.
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Moderne hochdrehende Elektromotoren sind temperaturmäßig hoch beansprucht. Dabei stellt sich das Problem, die Temperatur von Motorkomponenten zu senken, wenn die Motoren zur Atmosphäre abgekapselt sind, beispielsweise, weil sie spritzwassergeschützt sind.
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Es sind verschiedene Kühlkonzepte für derartige Motoren bekannt. Die
DE 10 2008 001 607 A1 offenbart eine Förderschnecke am Eingang einer als Hohlwelle ausgebildeten Rotorwelle, die Öl zum Kühlen durch den Rotor fördert. Eine solche Lösung ist jedoch in der Herstellung aufwendig und damit kostenintensiv.
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Bei für Elektromotoren mit hoher Drehzahl (10 000 Umdrehungen pro Minute und mehr) ausgelegten Rotoren wäre es zudem wünschenswert, die Kühlung noch effektiver zu gestalten.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Rotor für eine rotierende elektrische Maschine anzugeben, der im Betrieb effektiv gekühlt wird.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Rotor für eine rotierende elektrische Maschine angegeben, der eine Rotorwelle aufweist. Die Rotorwelle ist als Hohlwelle ausgebildet und weist in Längsrichtung der Rotorwelle eine Bohrung auf. In der Bohrung ist eine gängige Spiralfeder oder Druckfeder konzentrisch zu der Bohrung angeordnet.
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Im Betrieb dreht sich die Feder mit der rotierenden Rotorwelle mit und bildet somit eine Förderspirale für ein Kühlmittel, insbesondere Öl. Im Folgenden wird angenommen, dass als Kühlmittel Öl verwendet wird. Die Verwendung eines anderen Kühlmittels wäre aber ebenfalls möglich.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Rotor für eine rotierende elektrische Maschine angegeben, der eine Rotorwelle aufweist. Die Rotorwelle ist als Hohlwelle ausgebildet und weist in Längsrichtung der Rotorwelle eine Bohrung auf. In die Bohrung ist ein Innengewinde eingebracht.
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Ähnlich wie die Spiralfeder fördert das Innengewinde im Betrieb Kühlmittel durch die Bohrung.
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Der Rotor hat den Vorteil, dass er einfach und kostengünstig herstellbar ist. Bei der Spiralfeder handelt es sich um ein kostengünstiges Standardbauteil, das in nahezu beliebigen Maßen und Materialien erhältlich ist. Sie wird einfach in die Bohrung eingesetzt und fixiert. Ein Innengewinde kann ebenfalls verhältnismäßig einfach in die Seitenwände der Bohrung geschnitten werden.
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Der Querschnitt der Feder sowie ihre Steigung, also der Abstand benachbarter Windungen der Feder, bzw. die Steigung des Gewindes können passend zu den Fließeigenschaften des Öls, insbesondere zu dessen Viskosität, und dem zum Kühlen notwendigen Ölvolumen, das sich zwischen zwei benachbarten Windungen befinden muss, gewählt werden. Beispielsweise kann der Querschnitt des die Spiralfeder ausbildenden Drahtes rund, trapezförmig oder rechteckig sein. Auch die Abmaße der Querschnitte, d.h. die Dicke des Drahtes, werden passend zum Einsatzzweck gewählt.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Rotor für eine rotierende elektrische Maschine angegeben, der eine Rotorwelle aufweist. Die Rotorwelle ist als Hohlwelle ausgebildet und weist in Längsrichtung der Rotorwelle eine Bohrung auf. An einem Ende der Bohrung ist auf einer Stirnseite der Rotorwelle ein kühlmittelförderndes Element vorgesehen.
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Dieser dritte Aspekt der Erfindung, also das kühlmittelfördernde Element an einem Ende der Bohrung ist auf einer Stirnseite der Rotorwelle kann auch als weiterführende vorteilhafte Ausführungsform des oben genannten ersten und/oder zweiten Aspekts der Erfindung betrachtet werden.
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Als kühlmittelförderndes Element können insbesondere eine trichterförmige Öffnung zur Bohrung und/oder ein Flügelrad auf einer Stirnseite der Rotorwelle vorgesehen sein.
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Das kühlmittelfördernde Element fördert den Eintritt von Kühlmittel, insbesondere Öl, in die Bohrung. Es kann vorteilhaft mit einem kühlmittelfördernden Element im Innern der Bohrung, beispielsweise mit einer Spiralfeder oder einem Innengewinde, kombiniert werden. In dieser Ausführungsform ist dann beispielsweise in der Bohrung eine Spiralfeder konzentrisch zu der Bohrung angeordnet. Im Betrieb unterstützt das kühlmittelfördernde Element auf der Stirnseite der Rotorwelle den Eintritt des Kühlmittels in die Bohrung, während die Spiralfeder im Innern der Bohrung das Kühlmittel durch die Rotorwelle fördert und diese dadurch kühlt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Elektromotor angegeben, der den beschriebenen Rotor aufweist.
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Eine Motor-Getriebe-Einheit umfasst neben dem Elektromotor auch weitere Komponenten wie ein Getriebe und gegebenenfalls ein Kühlmittelreservoir oder Zuleitungen.
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In einer Ausführungsform weist die Bohrung eine kühlmittelführende Verbindung mit einen Kühlmittelreservoir auf. Als Kühlmittelreservoir kann ein gesonderter Behälter vorgesehen sein. Zur Zuführung des Kühlmittels zu der Bohrung können Elemente wie Flügelräder, Kühlmittelzufuhrwände, Kanäle oder andere Öffnungen vorgesehen sein. Unter einer kühlmittelführenden Verbindung wird eine Verbindung verstanden, die von einem Kühlmittel durchströmt werden kann.
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Als Kühlmittel kann insbesondere Öl eingesetzt werden. Es sind jedoch auch andere Kühlmittel denkbar.
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Die Bohrung kann jedoch auch eine kühlmittelführende Verbindung mit einem ölgeschmierten Getriebe aufweisen, so dass als Kühlmittel Öl aus dem Getriebe entnommen werden kann.
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In einer Ausführungsform weist die Bohrung eine kühlmittelführende Verbindung mit einem ölgeschmierten Lager der Rotorwelle auf. Aus Belastungsgründen ist es oft vorteilhaft, die Lager der Rotorwelle, beispielsweise Kugellager, mit Ölschmierung laufen zu lassen. In einer Ausführungsform werden derartige Lager aus der Bohrung geschmiert, indem ihnen über die Bohrung und entsprechende Verbindungskanäle Öl zugeführt wird.
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In einer Ausführungsform weist die Rotorwelle zumindest ein erstes Lager und ein zweites Lager auf, wobei das erste Lager in das Getriebe integriert ist und wobei das zweite Lager direkt mit der Bohrung in Verbindung steht. Unter einer Integration des Lagers in das Getriebe wird hier verstanden, dass Lager und Getriebe derart eine bauliche Einheit bilden, dass sie eine gemeinsame Ölschmierung ohne weitere Zufuhrkanäle dazwischen aufweisen. Bei dieser Ausführungsform wird demnach das erste Lager der Rotorwelle, typischerweise das Festlager, direkt mit dem Getriebeöl geschmiert. Das zweite Lager, typischerweise das Loslager, wird über eine entsprechende Verbindung mit Öl aus der Bohrung geschmiert. Bei dieser Ausführungsform kann jedoch auch das durch die Bohrung geförderte Öl aus dem Getriebe entnommen werden.
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In einer Ausführungsform durchdringt die Bohrung die gesamte Rotorwelle der Länge nach und weist somit zwei offene Enden auf. Dabei kann ein erstes Ende der Bohrung eine kühlmittelfördernde Verbindung mit einem ölgeschmierten Getriebe aufweisen und ein zweites Ende der Bohrung eine Rückführungseinrichtung zur Rückführung von Öl zum Getriebe aufweisen. Die Rückführungseinrichtung kann beispielsweise als Kanal oder Schlauch ausgebildet sein, der außerhalb der Rotorwelle angeordnet ist. Bei einer derartigen Anordnung kann die gesamte Rotorwelle gekühlt werden, was insbesondere bei Rotorwelle mit hohen Temperaturbelastungen vorteilhaft ist.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Bohrung als Sackloch ausgebildet und weist ein offenes und ein geschlossenes Ende auf.
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Das Rotorblechpaket weist ein erstes, einem ölgeschmierten Getriebe zugewandtes Ende und ein zweites, vom Getriebe abgewandtes Ende auf. In einer Ausführungsform weist das offene Ende der Bohrung eine kühlmittelführende Verbindung mit einem ölgeschmierten Getriebe auf und die Bohrung erstreckt sich vom Getriebe durch das gesamte Rotorblechpaket. Das geschlossene Ende der Bohrung liegt in Längsrichtung der Rotorwelle auf Höhe des zweiten Endes des Rotorblechpakets.
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Bei dieser Ausführungsform endet demnach die Bohrung unmittelbar hinter dem Rotorblechpaket und die Rotorwelle wird nur in ihrem das Rotorblechpaket durchsetzenden Teil gekühlt, wo die Kühlung besonders vorteilhaft ist.
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Alternativ kann auch das offene Ende der Bohrung eine kühlmittelführende Verbindung mit einem ölgeschmierten Getriebe aufweisen, wobei sich die Bohrung durch das gesamte Rotorblechpaket erstreckt und das geschlossene Ende der Bohrung in Längsrichtung der Rotorwelle auf Höhe eines Loslagers der Rotorwelle liegt. Bei dieser Ausführungsform wird ein größerer Teil der Rotorwelle gekühlt und es ist darüber hinaus auch möglich, das Lager, das insbesondere das Loslager der Rotorwelle sein kann, aus der Bohrung zu schmieren, wenn eine entsprechende Verbindung zwischen der Bohrung und dem Lager vorgesehen wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Belastungen eine Ölschmierung des Lagers erforderlich machen.
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Derartige Elektromotoren bzw. Motor-Getriebe-Einheiten eignen sich für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Sie können sowohl als im Antriebsstrang vollintegrierte Antriebsmotoren, beispielsweise als Radnaben- oder Achsmotoren, als auch beispielsweise als Startergeneratoren eingesetzt werden. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird deshalb ein Kraftfahrzeug angegeben, das den beschriebenen Elektromotor bzw. die beschriebe Motor-Getriebe-Einheit aufweist. Das Kraftfahrzeug kann dabei als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet sein.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Figuren näher beschrieben.
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1a zeigt schematisch einen vereinfachten Schnitt durch eine Motor-Getriebe-Einheit gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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1b zeigt schematisch eine Detailansicht aus 1a;
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2 zeigt schematisch einen vereinfachten Schnitt durch eine Motor-Getriebe-Einheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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3 zeigt schematisch einen vereinfachten Schnitt durch eine Motor-Getriebe-Einheit gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
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4 zeigt schematisch einen vereinfachten Schnitt durch eine Motor-Getriebe-Einheit gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
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5 zeigt schematisch einen vereinfachten Schnitt durch eine Motor-Getriebe-Einheit gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung,
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6 zeigt schematisch einen vereinfachten Schnitt durch einen Bereich der Rotorwelle gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung und
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7 zeigt schematisch einen vereinfachten Schnitt durch einen Bereich der Rotorwelle gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung.
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Die Motor-Getriebe-Einheit 18 gemäß 1 weist einen Elektromotor auf mit einem Rotor 1 und einem den Rotor 1 umgebenden nicht gezeigten Stator.
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Der Rotor 1 weist ein Rotorblechpaket 2 auf, das drehfest mit einer Rotorwelle 3 verbunden ist. Die Rotorwelle 3 weist eine Drehachse 4 auf und ist an nicht gezeigten Gehäuseteilen mittels eines Festlagers 5 und eines Loslagers 6 drehbar gelagert. Die Längsrichtung der Rotorwelle 3 ist durch den Pfeil 27 gekennzeichnet.
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In der ersten Ausführungsform ist am ersten Ende 7 der Rotorwelle 3 ein Getriebe 9 vorgesehen. Die Erfindung kann jedoch auch bei getriebelosen Elektromotoren eingesetzt werden. Das Rotorblechpaket 2 weist ein erstes, einem ölgeschmierten Getriebe zugewandtes Ende 25 und ein zweites, vom Getriebe abgewandtes Ende 26 auf.
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Die Rotorwelle 3 ist als Hohlwelle ausgebildet und weist eine zentrale Bohrung 10 auf, die sich durch die Rotorwelle 3 entlang der Drehachse 4 vom ersten Ende 7 bis zum zweiten Ende 8 erstreckt. In der gezeigten Ausführungsform ist die Bohrung 10 als Sackloch ausgebildet und weist im Bereich des ersten Endes 7 der Rotorwelle 3 ein offenes erstes Ende 11 auf. Im Bereich des zweiten Endes 8 der Rotorwelle 3 weist die Bohrung 10 dagegen ein geschlossenes zweites Ende 12 auf.
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In der Bohrung 10 ist eine Spiralfeder 20 angeordnet, die im Betrieb Öl als Kühlmittel durch die Bohrung 10 fördert. In einer nicht gezeigten Ausführungsform ist anstelle der Spiralfeder ein Innengewinde vorgesehen.
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Die Halterung der Spiralfeder 20 in der Bohrung 10 ist beispielsweise in 1b näher gezeigt. Auf der Stirnseite 15 der Rotorwelle 3 ist eine Scheibe 19 angebracht, beispielsweise angeschraubt. Die Scheibe 19 weist wie die Rotorwelle 3 eine Bohrung auf, jedoch ist deren Durchmesser d etwas kleiner als der Durchmesser D der Bohrung 10 in der Rotorwelle 3. An der Scheibe 19 ist ein Anschlag 21 für die Spiralfeder 20 gebildet. Durch den Anschlag 21 wird die Spiralfeder 20 in der Bohrung 10 gehaltert. Sie kann unter Spannung eingesetzt sein, was zur Folge hat, dass ihre Position in der Bohrung festgelegt ist. Damit dreht sie sich relativ zur Rotorwelle 3 nicht, sondern rotiert im Betrieb mit dieser mit.
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Im Betrieb fördert die Spiralfeder 20 Öl zur Kühlung des Rotors 1 durch die Bohrung 10. Der Ölaustausch im Innern der Rotorwelle 3 entsteht dadurch, dass permanent bis ans geschlossene Ende 12 der Bohrung 10 Öl gefördert wird und durch die Mitte wieder ausströmt. Bei fahrenden Autos wird dieser Austauschprozess durch Vibrationen verstärkt.
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Bei der ersten Ausführungsform sind die Lager 5, 6 als trockenlaufende Lager ausgebildet.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Motor-Getriebe-Einheit 18 mit dem Rotor 1. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten dadurch, dass Zufuhreinrichtungen für Öl vorgesehen sind, die den Austritt von Öl aus der Bohrung 10 in das Festlager 5 und das Loslager 6 erlauben. Bei dieser Ausführungsform werden demnach die Lager 5, 6 der Rotorwelle 3 aus der Bohrung 10 geschmiert. Die Zufuhreinrichtungen für Öl, die in 2 durch die Pfeile 13 und 14 angedeutet sind, können als Zufuhrkanäle ausgebildet sein.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Motor-Getriebe-Einheit 18 mit dem Rotor 1. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten dadurch, dass das Festlager 5 in das Getriebe 9 integriert ist, das heißt, innerhalb des Getriebegehäuses angeordnet ist. Es wird somit direkt mit dem Getriebeöl geschmiert. Das Loslager 6 weist wiederum eine durch den Pfeil 14 gekennzeichnete Zufuhreinrichtung für Öl auf, die das Loslager 6 direkt mit der Bohrung 10 verbindet.
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4 zeigt eine vierte Ausführungsform der Motor-Getriebe-Einheit 18 mit dem Rotor 1. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den anderen dadurch, dass am ersten Ende 7 der Rotorwelle 3 auf der Stirnseite 15 der Rotorwelle 3 ein Flügelrad 16 vorgesehen ist.
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Das Flügelrad 16 ist als drehfest mit der Rotorwelle 3 verbundene Scheibe ausgebildet. Es kann beispielsweise auf die Stirnseite 15 der Rotorwelle 3 geschraubt werden. Es kann auch einstückig mit der Rotorwelle 3 ausgebildet sein. Gemäß der vierten Ausführungsform weist das Flügelrad 16 ähnlich der in 1b gezeigten Scheibe 19 eine Bohrung 22 mit einem Durchmesser d‘ auf, der etwas kleiner ist als der Durchmesser D der Bohrung 10. Somit ist am offenen Ende 11 der Bohrung 10 ein Anschlag 17 für die Spiralfeder 20 gebildet.
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Das Flügelrad 16 hat die Aufgabe, die Zuführung von Öl zu der Bohrung 10 zu verbessern. Bei Getrieben ohne Ölpumpen entsteht im Betrieb in der Regel durch rotierende Zahnräder ein dynamischer Öldruck. Dieser lässt sich zur Zuführung von Öl zur Bohrung 10 nutzen, wenn entsprechende kühlmittelfördernde Elemente vorgesehen werden, die das Öl in die Bohrung 10 leiten.
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Als kühlmittelförderndes Element ist in der vierten Ausführungsform ein Flügelrad 16 vorgesehen. Im Betrieb rotiert das Flügelrad 16 mit der Rotorwelle 3 und fördert das Öl. Die Ölförderung kann ähnlich wie bei einem Turbolader durch eine geeignet gestaltete Wand noch verbessert werden.
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Gemäß der in 4 gezeigten vierten Ausführungsform sind die Lager 5, 6 als trockenlaufende Lager ausgebildet. Die vierte Ausführungsform kann jedoch auch mit der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform kombiniert werden, so dass eins der Lager 5, 6 in das Getriebe 9 integriert ist und/oder zumindest eines der Lager 5, 6 über eine Zufuhreinrichtung direkt mit Öl aus der Bohrung 10 geschmiert wird.
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In den gezeigten Ausführungsformen endet die Bohrung 10 kurz vor dem zweiten Ende 8 der Rotorwelle 3. Sie ist somit als Sackloch ausgebildet und weist ein geschlossenes Ende 12 auf. Sie kann jedoch auch als durchgehende Bohrung ausgebildet sein und zwei offene Enden aufweisen. Alternativ kann sie, wenn sie als Sackloch ausgebildet ist, auch deutlich vor dem zweiten Ende 8 der Rotorwelle 3 enden, beispielsweise noch vor dem Lager 6 kurz hinter dem Rotorblechpaket 2, wenn das Lager 6 als trockenlaufendes Lager ausgebildet ist und keine zusätzliche Kühlung benötigt und somit keine Ölzufuhr aus der Bohrung 10 aufweist.
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5 zeigt schematisch eine fünfte Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den anderen dadurch, dass die Bohrung 10 an ihrem zweiten Ende 8 offen ist, also die Rotorwelle 3 vollständig durchdringt. Am zweiten Ende 8 tritt demnach Kühlmittel aus der Bohrung 10 aus. Es ist eine in 5 schematisch gezeigte Rückführungseinrichtung 23 vorgesehen, mittels der das austretende Kühlmittel zum Getriebe 9 zurückgeführt wird.
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6 zeigt schematisch einen vereinfachten Schnitt durch einen Bereich der Rotorwelle 3 gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den vorher gezeigten dadurch, dass innerhalb der Bohrung 10 ein Innengewinde 24 vorgesehen ist, das im Betrieb Kühlmittel durch die Bohrung 10 fördert. Bei dieser Ausführungsform erstreckt sich die Bohrung 10 durch die gesamte Rotorwelle 3 von ihrem ersten Ende 7 bis zu ihrem zweiten Ende 8.
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Alternativ oder zusätzlich können als kühlmittelfördernde Elemente auch zusätzliche Wände, Kanäle oder ähnliche Einrichtungen vorgesehen sein, die Öl zum offenen Ende 11 der Bohrung 10 leiten. Ferner könnte das offene Ende 11 der Bohrung 10 trichterförmig ausgebildet sein, um den Eintritt von Öl zu erleichtern.
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Diese siebte Ausführungsform mit einer trichterförmigen Öffnung der Bohrung 10 am ersten Ende 11 ist in 7 schematisch gezeigt.
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Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Rotorblechpaket
- 3
- Rotorwelle
- 4
- Drehachse
- 5
- Festlager
- 6
- Loslager
- 7
- erstes Ende
- 8
- zweites Ende
- 9
- Getriebe
- 10
- Bohrung
- 11
- erstes Ende
- 12
- zweites Ende
- 13
- Pfeil
- 14
- Pfeil
- 15
- Stirnseite
- 16
- Flügelrad
- 17
- Anschlag
- 18
- Motor-Getriebe-Einheit
- 19
- Scheibe
- 20
- Spiralfeder
- 21
- Anschlag
- 22
- Bohrung
- 23
- Rückführungseinrichtung
- 24
- Innengewinde
- 25
- erstes Ende
- 26
- zweites Ende
- 27
- Pfeil
- D
- Durchmesser
- d
- Durchmesser
- d‘
- Durchmesser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008001607 A1 [0004]
