DE102013210617A1

DE102013210617A1 - Geschlossene elektrische Maschine mit einfacher Dichtung

Info

Publication number: DE102013210617A1
Application number: DE102013210617.3A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Dieterich; Stephan Hellmuth; Martin Kuhn; Michael Müller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Valeo eAutomotive Germany GmbH
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2014-12-11
Anticipated expiration: 2033-06-08
Also published as: FR3006827A1; DE102013210617B4

Abstract

Eine elektrische Maschine weist einen Rotor (1) auf, der auf einer Rotorwelle (2) drehfest angeordnet ist. Die Rotorwelle (2) ist in Lagern (3) gelagert, so dass die Rotorwelle (2) und mit ihr der Rotor (1) um eine Rotationsachse (4) rotierbar sind. Der Rotor (1) ist radial außen von einem Stator (5) umgeben, der seinerseits radial außen von einem Gehäuse (6) umgeben ist. An das Gehäuse (6) ist an seinen axialen Enden (7) jeweils ein Lagerschild (8) angesetzt. Im Gehäuse (6) verlaufen Kühlkanäle (11) für ein Kühlmedium (10), die zu den Lagerschilden (8) hin offen sind. Das Gehäuse (6) weist an seinen axialen Enden (7) jeweils eine im Bereich der Kühlkanäle (11) um die Rotationsachse (4) umlaufende Ausnehmung (14) auf, in der jeweils eine Dichtung (15) angeordnet ist. Der jeweilige Lagerschild (8) drückt axial auf die jeweilige Dichtung (15) und verformt diese, so dass die jeweilige Dichtung (15) in der jeweiligen Ausnehmung (14) radial innen und radial außen an das Gehäuse (6) angedrückt wird. Mittels der Dichtungen (15) sind einerseits die Kühlkanäle (11) sowohl gegenüber dem Rotor (1) und dem Stator (5) als auch gegenüber der Umgebung der elektrischen Maschine mediumdicht abgedichtet und sind andererseits der Rotor (1) und der Stator (5) gegenüber der Umgebung der elektrischen Maschine staub- und flüssigkeitsdicht abgedichtet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine,

– wobei die elektrische Maschine einen Rotor aufweist,
– wobei der Rotor auf einer Rotorwelle drehfest angeordnet ist,
– wobei die Rotorwelle in Lagern gelagert ist, so dass die Rotorwelle und mit ihr der Rotor um eine Rotationsachse rotierbar sind,
– wobei der Rotor, bezogen auf die Rotationsachse, radial außen von einem Stator umgeben ist,
– wobei der Stator, bezogen auf die Rotationsachse, radial außen von einem Gehäuse umgeben ist,
– wobei an das Gehäuse, bezogen auf die Rotationsachse, an seinen axialen Enden jeweils ein Lagerschild angesetzt ist,
– wobei im Gehäuse Kühlkanäle für ein Kühlmedium verlaufen, die zu den Lagerschilden hin offen sind.

Eine derartige elektrische Maschine ist allgemein bekannt.
Elektrische Maschinen müssen oftmals aktiv gekühlt werden. Eine mögliche Kühlungsmethode besteht darin, im Gehäuse Kühlkanäle für ein Kühlmedium vorzusehen und in den Kühlkanälen das Kühlmedium in einem geschlossenen Kühlmediumkreislauf umzuwälzen. In diesem Fall müssen die Kühlkanäle sowohl gegenüber dem Stator und dem Rotor als auch – mit Ausnahme der Zuführung und des Abflusses des Kühlmediums – gegenüber der Umgebung der elektrischen Maschine mediumdicht abgedichtet sein.
Im Stand der Technik ist bekannt, zu diesem Zweck pro Lagerschild zwei Dichtungen vorzusehen, beispielsweise O-Ringe. Die eine Dichtung ist radial zur Rotationsachse gesehen zwischen dem Stator und dem Rotor einerseits und den Kühlkanälen andererseits angeordnet. Die andere Dichtung ist radial zur Rotationsachse gesehen zwischen den Kühlkanälen und der Umgebung der elektrischen Maschine angeordnet. Mittels der Dichtungen wird in der Regel zugleich auch eine staub- und flüssigkeitsdichte Abdichtung des Rotors und des Stators gegenüber der Umgebung der elektrischen Maschine bewirkt. Die Schutzart, in welcher der Rotor und der Stator gegenüber der Umgebung abgedichtet sind, kann bis zu IP 6K9K betragen. Bei dieser Schutzart ist die Dichtigkeit so hoch, dass weder Luft noch Flüssigkeit in den Motor eindringt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die beiden Dichtungsfunktionen, also die Abdichtung der Kühlkanäle einerseits und die Abdichtung von Stator und Rotor andererseits, auf einfachere Weise zu realisieren.
Die Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 6.
Erfindungsgemäß wird eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art dadurch ausgestaltet,

– dass das Gehäuse an seinen axialen Enden jeweils eine im Bereich der Kühlkanäle um die Rotationsachse umlaufende Ausnehmung aufweist, in der jeweils eine Dichtung angeordnet ist,
– dass der jeweilige Lagerschild axial auf die jeweilige Dichtung drückt und diese verformt, so dass die jeweilige Dichtung, bezogen auf die Rotationsachse, in der jeweiligen Ausnehmung radial innen und radial außen an das Gehäuse angedrückt wird, und
– dass mittels der Dichtungen einerseits die Kühlkanäle sowohl gegenüber dem Rotor und dem Stator als auch gegenüber der Umgebung der elektrischen Maschine mediumdicht abgedichtet sind und andererseits der Rotor und der Stator gegenüber der Umgebung der elektrischen Maschine staub- und flüssigkeitsdicht abgedichtet sind.

Dadurch wird erreicht, dass pro Lagerschild nur noch eine einzige Dichtung benötigt wird, um alle erforderlichen Abdichtungen vorzunehmen.
Im einfachsten Fall weisen die Dichtungen lediglich einen elementargeometrischen Querschnitt auf, beispielsweise einen kreisförmigen oder einen rechteckigen Querschnitt. Vorzugsweise jedoch weisen die Dichtungen an ihrer dem jeweiligen Lagerschild zugewandten Seite mindestens eine um die Rotationsachse umlaufende Nase auf, an die der jeweilige Lagerschild angedrückt ist. Dadurch kann die Abdichtung von Rotor und Stator gegenüber der Umgebung der elektrischen Maschine besonders zuverlässig ausgestaltet werden.
Weiterhin weisen die Dichtungen an ihrer den Kühlkanälen zugewandten Seite vorzugsweise mindestens einen Radialvorsprung auf, der in eine jeweilige korrespondierende Tasche der jeweiligen Ausnehmung eingreift. Dadurch können die Dichtungen bereits während der Montage der elektrischen Maschine unverlierbar in den Ausnehmungen gehalten werden, obwohl die Lagerschilde noch nicht montiert sind. Die Taschen können, bezogen auf die Ausnehmungen, radial außen angeordnet sein. Vorzugsweise sind die Taschen jedoch radial innen angeordnet.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weisen die Dichtungen jeweils eine dem jeweiligen Lagerschild zugewandte Stirnfläche und angrenzend an die jeweilige Stirnfläche eine radial innere Mantelfläche und eine radial äußere Mantelfläche auf und liegt der jeweilige Lagerschild zwar an der jeweiligen Stirnfläche, nicht aber an den beiden jeweiligen Mantelflächen an.
In Einzelfällen ist es möglich, dass das Kühlmedium ein Gas ist. In der Regel ist das Kühlmedium jedoch eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser mit oder ohne einen Frostschutzzusatz wie Glykol oder Glycerin.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen in schematischer Darstellung:
1 einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine,
2 einen Querschnitt längst einer Linie II-II durch die elektrische Maschine von 1,
3 einen Abschnitt eines Gehäuses der elektrischen Maschine von 1 in abgerollter Darstellung,
4 einen Ausschnitt der elektrischen Maschine von 1,
5 einen Ausschnitt von 4 und
6 eine alternative Ausgestaltung einer Dichtung.
Gemäß den 1 und 2 weist eine elektrische Maschine einen Rotor 1 auf. Der Rotor 1 ist auf einer Rotorwelle 2 drehfest angeordnet. Die Rotorwelle 2 ist in Lagern 3 gelagert. Die Rotorwelle 2 und mit ihr der Rotor 1 sind dadurch um eine Rotationsachse 4 rotierbar.
Soweit nachfolgend die Begriffe „axial“, „radial“ und „tangential“ verwendet werden, sind sie stets auf die Rotationsachse 4 bezogen. „Axial“ ist eine Richtung parallel zur Rotationsachse 4. „Radial“ ist eine Richtung orthogonal zur Axialrichtung, also direkt auf die Rotationsachse 4 zu oder von ihr weg. „Tangential“ ist eine Richtung, die sowohl zur Axialrichtung als auch zur Radialrichtung orthogonal verläuft. Tangential ist also eine Richtung, die in konstantem Radialabstand bei gleichbleibender Axialposition kreisförmig um die Rotationsachse 4 herum gerichtet ist.
Die elektrische Maschine ist als so genannter Innenläufer ausgebildet. Der Rotor 1 ist daher radial außen von einem Stator 5 umgeben. Im Stator 5 ist eine Statorwicklung 5A angeordnet. Der Stator 5 seinerseits ist radial außen von einem Gehäuse 6 umgeben.
Das Gehäuse 6 weist axiale Enden 7 auf. An den axialen Enden 7 ist an das Gehäuse 6 jeweils ein Lagerschild 8 axial angesetzt. Der jeweilige Lagerschild 8 trägt das jeweilige Lager 3 und ist mittels Befestigungselementen 9 am Gehäuse 6 befestigt. Die Befestigungselemente 9 können beispielsweise als übliche Gewindebolzen ausgebildet sein.
Die elektrische Maschine der 1 und 2 wird mittels eines Kühlmediums 10 gekühlt. Das Kühlmedium 10 ist in der Regel eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, Wasser mit Frostschutzzusatz oder – in Einzelfällen – ein Öl oder ein anderes flüssiges Medium oder – in seltenen Einzelfällen – ein Gas. Das Kühlmedium 10 zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf. Der geschlossene Kreislauf umfasst Kühlkanäle 11 für das Kühlmedium 10, die im Gehäuse 6 verlaufen. Die Kühlkanäle 11 sind nach radial innen, nach radial außen und tangential geschlossen. Zu den Lagerschilden 8 hin sind die Kühlkanäle 11 offen. Insbesondere weisen die Kühlkanäle 11 in der Regel entsprechend der Darstellung in 3 axial verlaufende Abschnitte 12 auf, die an den axialen Enden 7 des Gehäuses 6 über tangential verlaufende Abschnitte 13 miteinander verbunden sind, so dass sich im Ergebnis ein mäanderartiger Verlauf der Kühlkanäle 11 um die Rotationsachse 4 herum ergibt.
Das Gehäuse 6 weist gemäß 4 an seinen axialen Enden 7 jeweils eine Ausnehmung 14 auf. Die jeweilige Ausnehmung 14 läuft im Bereich der Kühlkanäle 11 um die Rotationsachse 4 um. Im einfachsten Fall läuft die jeweilige Ausnehmung 14 kreisförmig um die Rotationsachse 4 um. Es sind jedoch auch andere Verläufe möglich. Entscheidend ist, dass die jeweilige Ausnehmung 14 in Tangentialrichtung gesehen geschlossen ist. In der jeweiligen Ausnehmung 14 ist gemäß 4 jeweils eine Dichtung 15 angeordnet.
Die Dichtungen 15 erstrecken sich gemäß 4 so weit auf die Lagerschilde 8 zu, dass der jeweilige Lagerschild 8 (selbstverständlich im montierten Zustand der elektrischen Maschine) axial auf die jeweilige Dichtung 15 drückt und diese verformt. Dies ist in den 5 und 6 durch Pfeile A angedeutet. Aufgrund der Verformung werden die Dichtungen 15 in der jeweiligen Ausnehmung 14 radial innen und radial außen an das Gehäuse 6 angedrückt. Dies ist in den 5 und 6 durch Pfeile B angedeutet.
Aufgrund des Umstands, dass die Dichtungen 15 in der jeweiligen Ausnehmung 14 radial innen und radial außen an das Gehäuse 6 angedrückt sind, sind die Kühlkanäle 11 sowohl gegenüber dem Rotor 1 und dem Stator 5 als auch gegenüber der Umgebung der elektrischen Maschine mediumdicht abgedichtet. Das Kühlmedium 10 kann also nicht aus den Kühlkanälen 11 austreten. Aufgrund des Umstands, dass die Lagerschilde 8 axial an die Dichtungen 15 angedrückt sind, sind weiterhin der Rotor 1 und der Stator 5 gegenüber der Umgebung der elektrischen Maschine staub- und flüssigkeitsdicht abgedichtet.
Die Ausnehmungen 14 und die Dichtungen 15 können nach Bedarf ausgebildet sein, sofern die Dichtungsfunktion in hinreichendem Umfang gewährleistet ist. Es sind jedoch vorteilhafte Ausgestaltungen möglich.
So können beispielsweise gemäß den 4 und 5 die Dichtungen 15 an ihrer dem jeweiligen Lagerschild 8 zugewandten Seite mindestens eine um die Rotationsachse 4 umlaufende Nase 16 aufweisen. In diesem Fall sind die Lagerschilde 8 an die Nasen 18 angedrückt und verformen diese. Insbesondere im Falle mehrerer Nasen 16 wird eine mehrstufige und dadurch besonders sichere Abdichtung des Rotors 1 und des Stators 5 gegenüber der Umgebung der elektrischen Maschine gewährleistet. Dargestellt ist in den 4 und 5 eine Ausgestaltung, bei der zwei derartige Nasen 16 vorhanden sind. Es sind jedoch auch Ausgestaltungen mit mehr als zwei derartigen Nasen 16 möglich. Es können auch noch mehr derartige Nasen 16 vorhanden sein, beispielsweise drei oder vier Nasen 16.
Alternativ oder zusätzlich zu den Nasen 16 können die Dichtungen 15 gemäß den 4 bis 6 an ihrer den Kühlkanälen 11 zugewandten Seite mindestens einen Radialvorsprung 17 aufweisen. In diesem Fall greift der jeweilige Radialvorsprung 17 in eine jeweilige korrespondierende Tasche 18 der jeweiligen Ausnehmung 14 ein. Durch diese Ausgestaltung wird bereits vor der Montage der Lagerschilde 8 eine Fixierung und unverlierbare Halterung der Dichtungen 15 in den Ausnehmungen 14 erreicht.
Die Radialvorsprünge 17 und die Taschen 18 sind gemäß der Darstellung in den 3 bis 5 radial innen angeordnet. Prinzipiell ist jedoch ebenso eine Anordnung radial außen möglich.
Die Dichtungen 15 weisen gemäß den 4 bis 6 jeweils eine Stirnfläche 19 auf. Die jeweilige Stirnfläche 19 ist dem jeweiligen Lagerschild 8 zugewandt. Die Dichtungen 15 weisen weiterhin jeweils eine radial innere Mantelfläche 20 und eine radial äußere Mantelfläche 21 auf. Die Mantelflächen 20, 21 grenzen an die jeweilige Stirnfläche 19 an. Der jeweilige Lagerschild 8 liegt gemäß den 4 bis 6 an der jeweiligen Stirnfläche 19 an. Der jeweilige Lagerschild 8 liegt hingegen nicht an den beiden jeweiligen Mantelflächen 20, 21 an.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist viele Vorteile auf. Insbesondere ist auf einfache und zuverlässige Weise eine vollständige Abdichtung sowohl der Kühlkanäle 11 als auch des Motorinnenraums mittels einer einzigen Dichtung 15 pro Lagerschild 8 erreichbar. Aufgrund der hohen erreichbaren Schutzart ist weiterhin die elektrische Maschine universell einsetzbar, auch beispielsweise als Hauptantrieb eines Elektroautos.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Derartige Motoren eignen sich besonders für elektrisch angetriebene Fahrzeuge, wie E-Cars, Triebzüge, Straßenbahnen, Trucks etc., da aufgrund der Flüssigkeitskühlung die Motoren kompakter gebaut werden können und die Abwärme dieser Motoren für andere Zwecke, wie z.B. Heizen des Fahrgastraumes zur Verfügung steht.

Claims

Elektrische Maschine, – wobei die elektrische Maschine einen Rotor (1) aufweist, – wobei der Rotor (1) auf einer Rotorwelle (2) drehfest angeordnet ist, – wobei die Rotorwelle (2) in Lagern (3) gelagert ist, so dass die Rotorwelle (2) und mit ihr der Rotor (1) um eine Rotationsachse (4) rotierbar sind, – wobei der Rotor (1), bezogen auf die Rotationsachse (4), radial außen von einem Stator (5) umgeben ist, – wobei der Stator (5), bezogen auf die Rotationsachse (4), radial außen von einem Gehäuse (6) umgeben ist, – wobei an das Gehäuse (6), bezogen auf die Rotationsachse (4), an seinen axialen Enden (7) jeweils ein Lagerschild (8) angesetzt ist, – wobei im Gehäuse (6) Kühlkanäle (11) für ein Kühlmedium (10) verlaufen, die zu den Lagerschilden (8) hin offen sind, – wobei das Gehäuse (6) an seinen axialen Enden (7) jeweils eine im Bereich der Kühlkanäle (11) um die Rotationsachse (4) umlaufende Ausnehmung (14) aufweist, in der jeweils eine Dichtung (15) angeordnet ist, – wobei der jeweilige Lagerschild (8) axial auf die jeweilige Dichtung (15) drückt und diese verformt, so dass die jeweilige Dichtung (15), bezogen auf die Rotationsachse (4), in der jeweiligen Ausnehmung (14) radial innen und radial außen an das Gehäuse (6) angedrückt wird, und – wobei mittels der Dichtungen (15) einerseits die Kühlkanäle (11) sowohl gegenüber dem Rotor (1) und dem Stator (5) als auch gegenüber der Umgebung der elektrischen Maschine mediumdicht abgedichtet sind und andererseits der Rotor (1) und der Stator (5) gegenüber der Umgebung der elektrischen Maschine staub- und flüssigkeitsdicht abgedichtet sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen (15) an ihrer dem jeweiligen Lagerschild (8) zugewandten Seite mehrere um die Rotationsachse (4) umlaufende Nasen (16) aufweisen, an die der jeweilige Lagerschild (8) angedrückt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen (15) an ihrer den Kühlkanälen (11) zugewandten Seite mindestens einen Radialvorsprung (17) aufweisen, der in eine jeweilige korrespondierende Tasche (18) der jeweiligen Ausnehmung (14) eingreift.
Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Taschen (18), bezogen auf die Ausnehmungen (14), radial innen angeordnet sind.
Elektrische Maschine nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (10) eine Flüssigkeit ist.
Elektrische Maschine nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen (15) jeweils eine dem jeweiligen Lagerschild (8) zugewandte Stirnfläche (19) und angrenzend an die jeweilige Stirnfläche (19) eine radial innere Mantelfläche (20) und eine radial äußere Mantelfläche (21) aufweisen und dass der jeweilige Lagerschild (8) zwar an der jeweiligen Stirnfläche (19), nicht aber an den beiden jeweiligen Mantelflächen (20, 21) anliegt.
Elektrisch angetriebenes Fahrzeug mit zumindest einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1 bis 6.