DE102016007328A1

DE102016007328A1 - Elektromaschine mit einer hohlen Rotorwelle

Info

Publication number: DE102016007328A1
Application number: DE102016007328.4A
Authority: DE
Inventors: Jörg Krebs; Matthias Voigt
Original assignee: Krebs & Aulich GmbH
Current assignee: Krebs & Aulich GmbH
Priority date: 2016-06-16
Filing date: 2016-06-16
Publication date: 2017-12-21
Anticipated expiration: 2036-06-17
Also published as: WO2017215686A1; DE102016007328B4; GB2565258A; GB201819371D0; AT524997A5; GB2565258B; GB2565258A9; AT524997B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektromaschine (1), ausgebildet als Motor und/oder als Generator, aufweisend ein Gehäuse (2), einen mit dem Gehäuse (2) drehfest verbundenen Stator (3), sowie eine koaxial und radial innerhalb des Stators (3) angeordnete Rotorwelle (5), bei welcher der Stator (3) und die Rotorwelle (5) elektromagnetisch wirksame Komponenten (4; 6) tragen, zwischen denen ein hohlzylindrischer Luftspalt (7) ausgebildet ist, bei welcher die Rotorwelle (5) einen zylindrischen Innenraum (8) aufweist, der an seinen beiden axialen Enden verschlossen ist, bei welcher die Rotorwelle (5) zur Einleitung eines Kühlfluids in deren Innenraum (8) wenigstens einen radial ausgerichteten Einströmkanal (20a, 20c) sowie zur Ausleitung des Kühlfluids wenigstens einen radial ausgerichteten Ausströmkanal (21a, 21c) aufweist, und bei welcher das Kühlfluid über wenigstens einen Einlasskanal (13) im Gehäuse (2) zur Rotorwelle (5) hin und über wenigstens einen Auslasskanal (14) im Gehäuse (2) von dieser weg leitbar ist. Zur Optimierung der Einströmung und/oder der Ausströmung des Kühlfluids in beziehungsweise aus der Rotorwelle (5) heraus ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass wenigstens ein Einströmkanal (20a, 20c) und/oder wenigstens ein Ausströmkanal (21a 21c) die Wandung der Rotorwelle (5) unter einem Anstellwinkel (a, c1, c2) radial und schräg durchsetzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektromaschine, ausgebildet als Motor und/oder als Generator, aufweisend ein Gehäuse, einen mit dem Gehäuse drehfest verbundenen Stator, sowie eine koaxial und radial innerhalb des Stators angeordnete Rotorwelle, bei welcher der Stator und die Rotorwelle elektromagnetisch wirksame Komponenten tragen, zwischen denen ein hohlzylindrischer Luftspalt ausgebildet ist, bei welcher die Rotorwelle einen zylindrischen Innenraum aufweist, der an seinen beiden axialen Enden verschlossen ist, bei welcher die Rotorwelle zur Einleitung eines Kühlfluids in deren Innenraum wenigstens einen radial ausgerichteten Einströmkanal sowie zur Ausleitung des Kühlfluids wenigstens einen radial ausgerichteten Ausströmkanal aufweist, und bei welcher das Kühlfluid über wenigstens einen Einlasskanal im Gehäuse zur Rotorwelle hin und über wenigstens einen Auslasskanal im Gehäuse von dieser weg leitbar ist.
Eine derartige Elektromaschine kann beispielsweise in einem Dynamometer oder einem Fahrzeugprüfstand eingebaut sein, mit dessen Hilfe Kennwerte eines Fahrzeugs oder einer Antriebsstrangkomponente ermittelbar sind. Die Rotorwelle wird üblicherweise mittels eines gasförmigen Kühlfluids und der Stator mittels eines flüssigen Kühlfluids gekühlt, wobei letzteres durch Kühlkanäle im Gehäuse der Elektromaschine geführt wird. Zur Kühlung der Rotorwelle beziehungsweise der von der Rotorwelle getragenen elektromagnetisch wirksamen Komponente wird demnach Kühlluft durch einen Einlasskanal im Gehäuse der Elektromaschine über wenigstens einen radialen Einströmkanal in der Rotorwelle in deren zylindrischen Innenraum hinein geleitet, und nach Durchströmen desselben durch wenigstens einen radialen Ausströmkanal in der Rotorwelle aus dieser abgeführt. Die so erwärmte Kühlluft kann dann anschließend über den wenigstens einen Auslasskanal im Gehäuse in die Umgebung abgeblasen werden.
Die wenigstens eine Einlassöffnung sowie die wenigstens eine Auslassöffnung in der Rotorwelle sind als radiale Bohrungen ausgeführt, die senkrecht zur Längsachse der Rotorwelle ausgerichtet sind. Wegen dieser Orientierung der Einlassöffnung und der Auslassöffnung ist deren Erzeugung bei der Herstellung einer solchen Rotorwelle zwar kostengünstig, nachteilig ist aber, dass bei einer Rotation der Rotorwelle insbesondere der Eintritt der Kühlluft in den zylindrischen Innenraum der Rotorwelle aus strömungstechnischer Sicht sehr unvorteilhaft erfolgt. Vor allem bei sehr hohen Rotordrehzahlen, beispielsweise 40000 Umdrehungen pro Minute, kann es an der wenigstens einen Einlassöffnung zu einem Strömungsabriss kommen. Die Kühlluft muss daher mit einem vergleichsweise hohen Förderdruck zur wenigstens einen Einlassöffnung der Rotorwelle geleitet werden, damit diese in den zylindrischen Innenraum der Rotorwelle einströmen kann. Zur Erzeugung eines ausreichend hohen Förderdrucks ist ein Kompressor notwendig, durch dessen Betrieb Energiekosten entstehen, die reduziert werden sollen.
Vor diesem Hintergrund lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Elektromaschine der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die Einleitung und Durchleitung eines gasförmigen Kühlfluids in beziehungsweise durch den zylindrischen Innenraum der Rotorwelle mit einem vergleichsweise geringen Energieaufwand erfolgen kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Elektromaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Demnach betrifft die Erfindung eine Elektromaschine, ausgebildet als Motor und/oder als Generator, aufweisend ein Gehäuse, einen mit dem Gehäuse drehfest verbundenen Stator, sowie eine koaxial und radial innerhalb des Stators angeordnete Rotorwelle, bei welcher der Stator und die Rotorwelle elektromagnetisch wirksame Komponenten tragen, zwischen denen ein hohlzylindrischer Luftspalt ausgebildet ist, bei welcher die Rotorwelle einen zylindrischen Innenraum aufweist, der an seinen beiden axialen Enden verschlossen ist, bei welcher die Rotorwelle zur Einleitung eines Kühlfluids in deren Innenraum wenigstens einen radial ausgerichteten Einströmkanal sowie zur Ausleitung des Kühlfluids wenigstens einen radial ausgerichteten Ausströmkanal aufweist, und bei welcher das Kühlfluid über wenigstens einen Einlasskanal im Gehäuse zur Rotorwelle hin leitbar und über wenigstens einen Auslasskanal im Gehäuse von dieser weg leitbar ist.
Zur Lösung der genannten Aufgabe ist bei dieser Elektromaschine vorgesehen, dass wenigstens ein Einströmkanal und/oder wenigstens ein Ausströmkanal die Wandung der Rotorwelle unter einem Anstellwinkel radial und schräg durchsetzt.
Die vorgeschlagene Ausrichtung der Einströmkanäle und/oder der Ausströmkanäle der Rotorwelle ermöglicht es dem Kühlfluid, leichter als bisher in die Rotorwelle einzuströmen beziehungsweise leichter aus dieser wieder auszuströmen, denn durch die Neigung der Einströmkanäle und/oder der Ausströmkanäle sind diese strömungstechnisch förderwirksam. Dies ist bei den bisher senkrecht zur der Längsachse der Rotorwelle ausgerichteten Einströmkanälen beziehungsweise Ausströmkanälen nicht gegeben, so dass bei diesen das Kühlfluid lediglich aufgrund eines Druckgefälles zwischen den Einströmkanälen und den Ausströmkanälen durch die Rotorwelle hindurch geleitet wird.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die radial äußere Eintrittsöffnung des wenigstens einen Einströmkanals und/oder die radial äußere Austrittsöffnung des wenigstens einen Ausströmkanals in die Drehrichtung der Rotorwelle weist. Hierdurch ist ein vorteilhafter Eintritt beziehungsweise Austritt des Kühlfluids in oder aus der Rotorwelle gegeben.
Gemäß einer dazu alternativen Ausführungsform ist zur Erreichung des gleichen technischen Zwecks vorgesehen, dass die radial äußere Eintrittsöffnung des wenigstens einen Einströmkanals in die Drehrichtung der Rotorwelle weist, und dass die radial äußere Austrittsöffnung des wenigstens einen Ausströmkanals entgegengesetzt zur Drehrichtung der Rotorwelle weist. Hierdurch wird ein besonders strömungsgünstiger Eintritt beziehungsweise Austritt des Kühlfluids in die beziehungsweise aus der Rotorwelle erreicht.
Mittels der genannten schrägen Anstellung sowie Ausrichtung der Einströmkanäle und/oder der Ausströmkanäle der Rotorwelle ist nicht nur das Einströmen des Kühlfluids in den zylindrischen Innenraum der Rotorwelle erleichtert, sondern es sind auch die Abströmbedingungen für das Kühlfluids aus der Rotorwelle verbessert. Dies liegt vor allem daran, dass bei den bisherigen technischen Lösungen das Kühlfluid die Rotorwelle rein radial verlassen hat, was aufgrund der Rotation der Rotorwelle zu einer starken Verwirbelung des Kühlfluids in einem austrittseitigen Ringraum zwischen der Rotorwelle und dem Gehäuse der Elektromaschine führte. Wegen der durch die Erfindung vorgeschlagenen schrägen Anstellung der Ausströmkanäle der Rotorwelle kann in dem austrittseitigen Ringraum zwischen der Rotorwelle und dem Gehäuse eine kreisförmige Strömung des Kühlmediums erzeugt werden, welche die gleiche Drehrichtung wie die Rotorwelle aufweist. Daher ist die Abbremsung der äußeren Oberfläche der Rotorwelle an dem Kühlmedium geringer als bei herkömmlichen gattungsgemäßen Elektromaschinen, welches zusätzlich den Wirkungsgrad derselben erhöht.
Durch eine in Strömungsrichtung weisende Eintrittsöffnung des Auslasskanals des Gehäuses können die Abströmbedingungen weiter verbessert sein. Eine solche Eintrittsöffnung des Auslasskanals ist demnach nicht rein radial, sondern tangential zur Außenoberfläche der Rotorwelle ausgerichtet.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Anstellwinkel des wenigstens einen Einströmkanals und/oder des wenigstens einen Ausströmkanals der Rotorwelle zur Flächennormalen an der radialen Außenseite der Rotorwelle im Bereich des jeweiligen Einströmkanals oder Ausströmkanals einen Wert von 2° bis 88° aufweist, einschließlich der Bereichsgrenzen. Bevorzugt werden Winkel von 10° bis 80°. Ganz besonders strömungsgünstig sind Anstellwinkel von 30° bis 45°.
Weiter kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Einströmkanal und/oder wenigstens ein Ausströmkanal der Rotorwelle im rechten Winkel zur Längsachse der Rotorwelle ausgerichtet sind, welches Fertigungstechnisch vergleichsweise einfach zu realisieren ist.
Davon abweichend kann aber auch vorgesehen sein, dass wenigstens ein Einströmkanal und/oder wenigstens ein Ausströmkanal der Rotorwelle in einem Winkel von 5° bis 85°, einschließlich der Bereichsgrenzen, zur Längsachse der Rotorwelle ausgerichtet sind. Bevorzugt werden Winkel von 10° bis 80°. Ganz besonders strömungsgünstig sind Anstellwinkel von 30° bis 45°. Durch diese schräge Ausrichtung insbesondere der Einströmkanäle zur Längsachse der Rotorwelle wird das Kühlfluid bereits beim Einströmen in den zylindrischen Innenraum der Rotorwelle in eine schraubenförmige Strömung gezwungen, welche die gleiche Drehrichtung wie die Rotorwelle hat. Zwar dreht die Rotorwelle mit einer höheren Drehzahl als die Kühlfluidströmung im Innenraum der Rotorwelle, da die Drehrichtung schon beim Einströmen in der Innenraum der Rotorwelle identisch ist, wirkt die Kühlfluidströmung weniger abbremsend auf die Rotorwelle als bei einer konventionellen, durch einen Förderdruck eines Kompressors zur Förderung des Kühlfluids dominierten, vorwiegend axialen Strömung.
Gemäß einer anderen Weiterbildung einer Elektromaschine mit den Merkmalen der Erfindung ist vorgesehen, dass die radial außen ausgebildete Eintrittsöffnung des wenigstens einen Einströmkanals größer ist als dessen radial innen ausgebildete Eintrittsöffnung. Hierdurch wird beim Durchströmen des Einströmkanals der Druck des Kühlfluids erhöht, sodass sich das Kühlfluid nach dem Eintritt in den zylindrischen Hohlraum der Rotorwelle einem stärkeren Druckgefälle folgend zum wenigstens einen Ausströmkanal der Rotorwelle bewegt.
Weiter kann ausströmseitig an der Rotorwelle vorgesehen sein, dass die radial innen ausgebildete Austrittsöffnung des wenigstens einen Ausströmkanals größer ist als dessen radial außen ausgebildete Austrittsöffnung. Hierdurch erfolgt an der radial außen ausgebildeten Austrittsöffnung eine Expansion des Kühlfluids, welche dasselbe weg von der Rotorwelle und hin zum Auslasskanal des Gehäuses der Elektromaschine treibt.
Zur Erzeugung einer anderen Leitwirkung und damit zur weiter verbesserten Strömung des Kühlfluids in die Rotorwelle hinein kann vorgesehen sein, dass an der radialen Außenseite der Rotorwelle vorzugsweise unmittelbar neben der radial äußeren Eintrittsöffnung des wenigstens einen Einströmkanals ein radial nach außen weisendes Leitelement an der radialen Außenoberfläche der Rotorwelle ausgebildet oder befestigt ist. Dieses Leitelement kann beispielsweise die Form einer Lippe oder eines Rings haben. Es leitet aufgrund seiner Ausbildung und Anordnung das Kühlfluid in den Einströmkanal hinein.
Um eine solche Leitwirkung auch radial innerhalb der Rotorwelle zu erzeugen, kann vorgesehen sein, dass vorzugsweise unmittelbar stromabwärts hinter der radial inneren Austrittsöffnung des wenigstens einen Ausströmkanals an der radialen Innenseite der Rotorwelle ein radial nach innen weisendes Leitelement ausgebildet oder befestigt ist. Auch dieses Leitelement kann beispielsweise als Lippe oder Ring ausgebildet sein.
Die genannten Leitelemente an der radialen Außenseite und der radialen Innenseite der Rotorwelle bewirken bei einer Drehung der Rotorwelle, dass unmittelbar neben den zugeordneten Öffnungen in der Rotorwelle befindliches Kühlfluid in die radial äußere Eintrittsöffnung des wenigstens einen Einströmkanals beziehungsweise in die radial innere Austrittsöffnung des wenigstens einen Ausströmkanals gelenkt wird. Hierdurch ist eine Pumpwirkung erzeugt, welche das Kühlfluid durch die Rotorwelle treibt.
Um eine widerstandsarme Strömung des Kühlfluid innerhalb der Rotorwelle zu gewährleisten, kann gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass an der radialen Innenseite der Rotorwelle wenigstens eine sich zumindest weitgehend parallel zu deren Längsachse erstreckende Leitvorrichtung angeordnet oder ausgebildet ist. Im einfachsten Fall besteht diese Leitvorrichtung aus einem sich parallel zur Längsachse erstreckendem Leitblech.
Die Leitvorrichtung kann aber auch durch wenigstens einen gewundenen Steg gebildet sein, welcher an der Innenseite der Rotorwelle ausgebildet oder befestigt ist, sich radial nach innen erstreckt, und eine schraubenförmige Geometrie aufweist.
Zur weiteren Verbesserung der Einström- und Abströmbedingungen für das Kühlfluid kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Einströmkanal und/oder wenigstens ein Ausströmkanal die Wand der Rotorwelle mit einem geschwungenen Verlauf radial sowie in Umfangsrichtung durchsetzt, wobei die umfangsbezogene Erstreckung dieses geschwungenen Einströmkanals oder geschwungenen Ausströmkanals wenigstens doppelt so groß ist wie die radiale Erstreckung derselben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von mehreren in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigt
1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Elektromaschine mit den Merkmalen der Erfindung,
2 einen ersten Querschnitt A-A durch die Rotorwelle gemäß 1,
3 einen zweiten Querschnitt B-B durch die Rotorwelle gemäß 1,
4 eine vergrößerte Querschnittansicht eines Umfangsabschnitts der Rotorwelle gemäß 1 im Bereich eines schrägen Einströmkanals,
5 eine vergrößerte Querschnittansicht eines Umfangsabschnitts der Rotorwelle gemäß 1 im Bereich eines geschwungen ausgebildeten Einströmkanals,
6 eine schematische radiale Draufsicht auf eine Rotorwelle mit jeweils einem senkrecht zu deren Längsachse ausgerichteten Einströmkanal und Ausströmkanal,
7 eine schematische radiale Draufsicht auf eine Rotorwelle mit jeweils einem schräg zur Längsachse der Rotorwelle ausgerichteten Einströmkanal und Ausströmkanal,
8 einen Querschnitt A-A durch die Rotorwelle gemäß 1, mit sich nach radial innen verengenden Einströmkanälen,
9 einen Querschnitt B-B durch die Rotorwelle gemäß 1, mit sich nach radial außen verengenden Ausströmkanälen,
10 eine vergrößerte Querschnittansicht eines sich nach radial innen verengenden Einströmkanals sowie eines prismenförmigen Leitelements an der Außenseite der Rotorwelle, und
11 eine vergrößerte Querschnittansicht eines sich nach radial außen verengenden Ausströmkanals sowie eines ringförmigen Leitelements an der Innenseite der Rotorwelle.
Die in 1 dargestellte Elektromaschine 1 ist als Elektromotor ausgebildet. Sie weist ein weitgehend hohlzylindrisches Gehäuse 2 auf, welches an seinen beiden axialen Enden mit jeweils einem Gehäusedeckel 24 verschlossen ist. In dem Gehäuse 2 ist ein sich koaxial zur Längsachse 17 der Elektromaschine 1 erstreckender Stator 3 befestigt. Radial innerhalb des Stators 3 ist eine Rotorwelle 5 angeordnet, welche über wenigstens zwei Wälzlager 11, 12 in dem Gehäuse 2 drehbar gelagert ist. Der Stator 3 und die Rotorwelle 5 sind mit elektromagnetisch wirksamen Komponenten 4, 6 versehen, welche durch einen zylindrischen Luftspalt 7 radial voneinander beabstandet sind. Die elektromagnetisch wirksamen Komponenten 4, 6 sind als Blechpakete, Wicklungen und/oder Permanentmagneten ausgebildet, deren Aufbau und Wirkungsweise den Fachmann bekannt und im Zusammenhang mit der Erfindung nicht relevant sind. Auf deren genaue zeichnerische Darstellung und Beschreibung ist daher verzichtet worden. Zur Kühlung des Stators 3 ist in dem Gehäuse 2 wenigstens ein Kühlwasserkanal 18 ausgebildet, durch den eine Kühlwasserströmung 19 geleitet wird.
Die Rotorwelle 5 ist als Hohlwelle ausgebildet, welche an ihren axialen Enden mit jeweils einem Rotorwellendeckel 9 verschlossen ist. Hierzu sind die Rotorwellendeckel 9 mittels Schrauben 10 an der Rotorwelle 5 befestigt. Dadurch weist die Rotorwelle 5 einen weitgehend geschlossenen zylindrischen Innenraum 8 mit einer radialen Innenseite 34 auf, durch den ein Kühlfluid in Form von Kühlluft leitbar ist. Diese Kühlluft wird der Rotorwelle 5 durch einen radialen Einlasskanal 13 im Gehäuse 2 zugeführt, die nach dem Passieren dieses Einlasskanals 13 in einen einlassseitigen Ringraum 15 gelangt, welcher zwischen dem Gehäuse 2, der Rotorwelle 5, dem einlassseitigen Wälzlager 11 und den elektromagnetisch wirksamen Komponenten 4, 6 der Elektromaschine 1 ausgebildet ist.
Zur Zuführung und Abführung der Kühlluft in den beziehungsweise aus den Innenraum 8 der Rotorwelle 5 weist diese vier Einströmkanäle 20a, 20b, 20c, 20d und vier Ausströmkanäle 21a, 21b, 21c, 21d auf, welche die Wand der Rotorwelle 5 von radial außen nach radial innen schräg durchsetzen. Dies ist in den 2 bis 5 deutlich erkennbar.
Zur Erzielung von strömungstechnisch besonders vorteilhaften Einströmbedingungen für die Kühlluft ist vorgesehen, dass die radial äußeren Eintrittsöffnungen 31 der Einströmkanäle 20a, 20b, 20c, 20d; 20a'; 20a* und/oder die radial äußeren Austrittsöffnungen 32 der Ausströmkanäle 21a, 21b, 21c, 21d; 21a'; 21a* in die Drehrichtung 30 der Rotorwelle 5 weisen. Hierdurch sind die radial äußeren Eintrittsöffnungen 31 der Einströmkanäle sowie die radial äußeren Austrittsöffnungen 32 der Ausströmkanäle strömungstechnisch förderwirksam, sodass ein die Kühlluft förderndes Gerät einen vergleichsweise geringen Energieverbrauch hat. 1 zeigt hierzu an der Rotorwelle 5 die Einströmrichtung 25 sowie die Ausströmrichtung 26 der Kühlluft, während die 2 und 3 verdeutlichen, dass sich die einströmende Kühlluft in mehrere einströmende Teilströme 25a, 25b, 25c, 25d aufteilt, welche durch jeweils einen zugeordneten Einströmkanal 20a, 20b, 20c, 20d in den Innenraum 8 der Rotorwelle 5 einströmen. Auf der Abströmseite der Rotorwelle 5 wird die erwärmte Kühlluft in vier ausströmende Teilströme 26a, 26b, 26c, 26d aufteilt, welche durch jeweils einen zugeordneten Ausströmkanal 21a, 21b, 21c, 21d den Innenraum 8 der Rotorwelle 5 in Richtung zu einem abströmseitigen zweiten Ringraum 16 verlassen. Von dort gelangt die erwärmte Kühlluft über einen Auslasskanal 14 im Gehäuse 2 in die Umgebung. Die radial innen im Gehäuse 2 ausgebildete Eintrittsöffnung 29 des Auslasskanals 14 verläuft vorzugsweise etwas tangential zur radialen Außenseite 33 der Rotorwelle 5.
4 verdeutlicht, dass der Anstellwinkel a der Einströmkanäle 20a, 20b, 20c, 20d; 20a'; 20a* und/oder der Ausströmkanäle 21a, 21b, 21c, 21d; 21a'; 21a* zur Flächennormalen 23 an der radialen Außenseite der Rotorwelle 5 im Bereich des jeweiligen Einströmkanals oder Ausströmkanals einen Wert von 2° bis 88° aufweist, einschließlich der Bereichsgrenzen. In dem in 4 dargestellten Beispiel beträgt der Anstellwinkel a etwa 45° zur Flächennormalen 23, welche mit einem Winkel b = 90° senkrecht auf der durch die radial äußeren Eintrittsöffnung 42 gebildeten kreisförmigen oder leicht elliptischen gedachten Fläche steht.
Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform der Rotorwelle 5 ist vorgesehen, dass zumindest ein Einströmkanal 20a* und/oder zumindest ein Ausströmkanal 21a* die Wand die Rotorwelle 5 mit einem geschwungenen Verlauf radial sowie in Umfangsrichtung durchsetzt. Hierbei ist die umfangsbezogene Erstreckung 27 dieses geschwungenen Einströmkanals 20a* oder geschwungenen Ausströmkanals 20a* wenigstens doppelt so groß wie die radiale Erstreckung 28 des Einströmkanals 20a* oder Ausströmkanals 20a*. Mittels des geschwungenen Verlaufs des Einströmkanals 20a* oder Ausströmkanals 20a* ist die Einströmrichtung sowie der Drall der in den Innenraum 8 der Rotorwelle 5 einzuleitenden beziehungsweise aus diesem abzuführenden Kühlluft besonders gut einstellbar.
6 zeigt, dass wenigstens ein Einströmkanal 20a und wenigstens ein Ausströmkanal 21a der Rotorwelle 5 im rechten Winkel c1 zur Längsachse 17 der Rotorwelle 5 ausgerichtet sein kann. Die Erzeugung derartig ausgerichteter Einströmkanäle und Ausströmkanäle an der Rotorwelle 5 ist fertigungstechnisch vergleichsweise einfach. Um der durch den Innenraum 8 der Rotorwelle 5 zu leitenden Kühlluft einen in Förderrichtung der Kühlluft wirksamen Drall zu verleihen, kann gemäß der in 7 dargestellten Variante vorgesehen sein, dass wenigstens ein Einströmkanal 20a' und/oder wenigstens ein Ausströmkanal 21a' der Rotorwelle 5 in einem Winkel c2 von 5° bis 85° zur Längsachse 17 der Rotorwelle 5 ausgerichtet ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel c2 etwa 75°.
Die 8 bis 11 zeigen Weiterbildungen bei einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Elektromaschine 1 beziehungsweise dessen Rotorwelle 5, mittels denen das Einströmen des Kühlfluids in die Rotorwelle 5, der Transport des Kühlfluids innerhalb der Rotorwelle sowie das Verlassen der Rotorwelle vorteilhaft beeinflusst wird.
So ist zunächst vorgesehen, dass die radial äußere Eintrittsöffnung 43 der Einströmkanäle 40a, 40b, 40c, 40d jeweils in die Drehrichtung 30 der Rotorwelle 5 weist, und dass die radial äußere Austrittsöffnung 45 der Ausströmkanäle 41a, 41b, 41c, 41d jeweils entgegengesetzt zur Drehrichtung 30 der Rotorwelle 5 weist. Hierdurch wird das Kühlfluid beim Drehen der Rotorwelle 5 zwangsweise in die Einströmkanäle 40a, 40b, 40c, 40d hinein befördert und im Bereich der Ausströmkanäle 41a, 41b, 41c, 41d aus diesen heraus gesogen. Die Einströmrichtung 25 und die Ausströmrichtung 26 des Kühlfluids sind in den Figuren durch Strömungspfeile angedeutet.
Außerdem zeigen die 8 und 9, insbesondere aber die Detailansichten der 10 und 11, dass gemäß einer anderen Ausführungsform die Einströmkanäle 40a, 40b, 40c, 40d sowie die Ausströmkanäle 41a, 41b, 41c, 41d keinen konstanten Strömungsquerschnitt aufweisen, sondern strömungseintrittseitig eine größere Eintrittsöffnung aufweisen als strömungsaustrittseitig. So zeigt 10 deutlich, dass bei dem beispielhaft dargestellten Einströmkanal 40b dessen radial äußere Eintrittsöffnung 43 größer ist als seine radial innere Eintrittsöffnung 42. Hierdurch wird in den Einströmkanal 40b einströmendes Kühlfluid entlang seiner Einströmrichtung 25 unter Druckerhöhung etwas komprimiert. Der Austritt des Kühlfluids aus dem zylindrischen Hohlraum 8 der Rotorwelle 5 erfolgt unter anderem über den in 10 dargestellten Ausströmkanal 41b, dessen radial innere Austrittsöffnung 44 größer ist als dessen radial äußere Austrittsöffnung 45. Hierbei folgt das Kühlfluid der Ausströmrichtung 26. Durch die beschriebene Geometrie des Ausströmkanals 41b sowie der ebenso ausgebildeten weiteren Ausströmkanäle 41a, 41c, 41d wird das Kühlfluid beim Verlassen der Rotorwelle 5 weiter komprimiert. Bei seinem Austritt aus dem jeweiligen Ausströmkanal 41a, 41b, 41c, 41d expandiert das Kühlfluid und wird dadurch von der Rotorwelle 5 weggeleitet, und zwar hin zu dem Auslasskanal 14 im Gehäuse 2 der Elektromaschine 1, welcher als Drucksenke wirkt.
Zur weiteren Verbesserung des Einströmens und des Ausströmens des Kühlfluids in die beziehungsweise aus der Rotorwelle 5 sind, wie die 10 und 11 zeigen, an der radialen Außenseite 33 und/oder an der radialen Innenseite 34 der Rotorwelle 5 Leitelemente 50, 52 befestigt oder ausgebildet. Bei dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel ist unmittelbar neben der radial äußeren Eintrittsöffnung 43 des Einströmkanals 40b ein ringförmiges und im Querschnitt etwa prismenförmiges Leitelement 50 befestigt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 11 ist das Leitelement 52 durch einen im Querschnitt kreisförmigen Ring gebildet, welcher stromabwärts unmittelbar hinter der radial inneren Austrittsöffnung 44 des Ausströmkanals 41a in einer nicht weiter bezeichneten Aufnahmenut der Rotorwelle 5 eingesetzt ist. Diese Leitelemente 50, 52 bilden für das dort anstehende Kühlfluid einen Strömungswiderstand, welcher das Kühlfluid dazu veranlasst, in den jeweils zugeordneten Einströmkanal 40b beziehungsweise Ausströmkanal 41b einzuströmen.
Schließlich zeigen die 8 und 9, dass an der radialen Innenseite 34 der Rotorwelle 5 Leitvorrichtung 55, 56, 57, 58 angeordnet oder ausgebildet sein können, welche sich im dargestellten Ausführungsbeispiel parallel zur Längsachse 17 der Rotorwelle 5 erstrecken. Diese Leitvorrichtungen 55, 56, 57, 58 können beispielsweise als Leitbleche ausgebildet sein und bewirken eine ruhige, wenig turbulente Strömung des Kühlfluids durch die Rotorwelle 5 hindurch. Die Leitvorrichtungen können auch durch einen oder mehrere radial nach innen weisende Stege gebildet sein, welche an der Innenseite 34 der Rotorwelle 5 angeordnet oder ausgebildet sind, und die eine schraubenförmige Geometrie aufweisen.
Alle in der vorstehenden Figurenbeschreibung, in den Ansprüchen und in der Beschreibungseinleitung genannten Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar und nutzbar. Die Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen und beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt, vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
Bezugszeichenliste

1: Elektromaschine
2: Gehäuse
3: Stator
4: Elektromagnetisch wirksame Komponente am Stator
5: Rotorwelle
6: Elektromagnetisch wirksame Komponente an der Rotorwelle
7: Luftspalt
8: Innenraum der Rotorwelle
9: Rotorwellendeckel
10: Schrauben
11: Erstes Wälzlager
12: Zweites Wälzlager
13: Einlasskanal im Gehäuse
14: Auslasskanal im Gehäuse
15: Erster Ringraum
16: Zweiter Ringraum
17: Längsachse der Rotorwelle
18: Kühlwasserkanal
19: Kühlwasserströmung
20a: Erster Einströmkanal der Rotorwelle
20b: Zweiter Einströmkanal der Rotorwelle
20c: Dritter Einströmkanal der Rotorwelle
20d: Vierter Einströmkanal der Rotorwelle
20a': Zur Längsachse 17 schräg gestellter Einströmkanal
20a*: Geschwungen ausgebildeter Einströmkanal
21a: Erster Ausströmkanal der Rotorwelle
21b: Zweiter Ausströmkanal der Rotorwelle
21c: Dritter Ausströmkanal der Rotorwelle
21d: Vierter Ausströmkanal der Rotorwelle
21a': Zur Längsachse der Rotorwelle schräg gestellter erster Ausströmkanal
21a*: Geschwungen ausgebildeter Ausströmkanal
23: Flächennormale im Bereich des Einströmkanals oder Ausströmkanals
24: Gehäusedeckel
25: Einströmrichtung eines Kühlfluids
25a: Erster einströmender Teilstrom des Kühlfluids
25b: Zweiter einströmender Teilstrom des Kühlfluids
25c: Dritter einströmender Teilstrom des Kühlfluids
25d: Vierter einströmender Teilstrom des Kühlfluids
26: Ausströmrichtung eines Kühlmediums
26a: Erster ausströmender Teilstrom des Kühlfluids
26b: Zweiter ausströmender Teilstrom des Kühlfluids
26c: Dritter ausströmender Teilstrom des Kühlfluids
26d: Vierter ausströmender Teilstrom des Kühlfluids
27: Umfangsbezogene Erstreckung des geschwungenen Einströmkanals oder Ausströmkanals
28: Radiale Erstreckung des geschwungenen Einströmkanals oder Ausströmkanals
29: Eintrittsöffnung des Auslasskanals 14 im Gehäuse
30: Rotationsrichtung der Rotorwelle
31: Radial äußere Eintrittsöffnung
32: Radial äußere Austrittsöffnung
33: Radiale Außenseite der Rotorwelle
34: Radiale Innenseite der Rotorwelle
40a: Erster, sich verengender Einströmkanal
40b: Zweiter, sich verengender Einströmkanal
40c: Dritter, sich verengender Einströmkanal
40d: Vierter, sich verengender Einströmkanal
41a: Erster, sich verengender Ausströmkanal
41b: Zweiter, sich verengender Ausströmkanal
41c: Dritter, sich verengender Ausströmkanal
41d: Vierter, sich verengender Ausströmkanal
42: Radial innere Eintrittsöffnung des Einströmkanals 40b
43: Radial äußere Eintrittsöffnung des Einströmkanals 40b
44: Radial innere Austrittsöffnung des Ausströmkanals 41b
45: Radial äußere Austrittsöffnung des Ausströmkanals 41b
50: Radial nach außen weisendes Leitelement an der Rotorwelle
52: Radial nach innen weisendes Leitelement an der Rotorwelle
55: Erste Leitvorrichtung innerhalb der Rotorwelle
56: Zweite Leitvorrichtung innerhalb der Rotorwelle
57: Dritte Leitvorrichtung innerhalb der Rotorwelle
58: Vierte Leitvorrichtung innerhalb der Rotorwelle

Claims

Elektromaschine (1), ausgebildet als Motor und/oder als Generator, aufweisend ein Gehäuse (2), einen mit dem Gehäuse (2) drehfest verbundenen Stator (3), sowie eine koaxial und radial innerhalb des Stators (3) angeordnete Rotorwelle (5), bei welcher der Stator (3) und die Rotorwelle (5) elektromagnetisch wirksame Komponenten (4; 6) tragen, zwischen denen ein hohlzylindrischer Luftspalt (7) ausgebildet ist, bei welcher die Rotorwelle (5) einen zylindrischen Innenraum (8) aufweist, der an seinen beiden axialen Enden verschlossen ist, bei welcher die Rotorwelle (5) zur Einleitung eines Kühlfluids in deren Innenraum (8) wenigstens einen radial ausgerichteten Einströmkanal (20a, 20b, 20c, 20d; 20a'; 20a*; 40a, 40b, 40c, 40d) sowie zur Ausleitung des Kühlfluids wenigstens einen radial ausgerichteten Ausströmkanal (21a, 21b, 21c, 21d; 21a'; 21a*; 41a, 41b, 41c, 41d) aufweist, und bei welcher das Kühlfluid über wenigstens einen Einlasskanal (13) im Gehäuse (2) zur Rotorwelle (5) hin und über wenigstens einen Auslasskanal (14) im Gehäuse (2) von dieser weg leitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Einströmkanal (20a, 20b, 20c, 20d; 20a'; 20a*; 40a, 40b, 40c, 40d) und/oder wenigstens ein Ausströmkanal (21a, 21b, 21c, 21d; 21a'; 21a*; 41a, 41b, 41c, 41d) die Wandung der Rotorwelle (5) unter einem Anstellwinkel (a, c1, c2) radial und schräg durchsetzt.
Elektromaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radial äußere Eintrittsöffnung (31) des wenigstens einen Einströmkanals (20a, 20b, 20c, 20d; 20a'; 20a*) und/oder die radial äußere Austrittsöffnung (32) des wenigstens einen Ausströmkanals (21a, 21b, 21c, 21d; 21a'; 21a*) in die Drehrichtung (30) der Rotorwelle (5) weist.
Elektromaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radial äußere Eintrittsöffnung (43) des wenigstens einen Einströmkanals (40a, 40b, 40c, 40d) in die Drehrichtung (30) der Rotorwelle (5) weist, und dass die radial äußere Austrittsöffnung (45) des wenigstens einen Ausströmkanals (41a, 41b, 41c, 41d) entgegengesetzt zur Drehrichtung (30) der Rotorwelle (5) weist.
Elektromaschine einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel (a) des wenigstens einen Einströmkanals (20a, 20b, 20c, 20d; 20a'; 20a*, 40a, 40b, 40c, 40d) und/oder des wenigstens einen Ausströmkanals (21a, 21b, 21c, 21d; 21a'; 21a*, 41a, 41b, 41c, 41d) zur Flächennormalen (23) an der radialen Außenseite (33) der Rotorwelle (5) im Bereich des jeweiligen Einströmkanals oder Ausströmkanals einen Wert von 2° bis 88° aufweist, einschließlich der Bereichsgrenzen.
Elektromaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Einströmkanal (20a) und/oder wenigstens ein Ausströmkanal (21a) der Rotorwelle (5) im rechten Winkel (c1) zur Längsachse (17) der Rotorwelle (5) ausgerichtet ist.
Elektromaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Einströmkanal (20a') und/oder wenigstens ein Ausströmkanal (21a') der Rotorwelle (5) in einem Winkel (c2) von 5° bis 85° zur Längsachse (17) der Rotorwelle (5) ausgerichtet ist, einschließlich der Bereichsgrenzen.
Elektromaschine nach einem der Ansprüche 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens ein Einströmkanal (20a*) und/oder wenigstens ein Ausströmkanal (21a*) die Wand die Rotorwelle (5) mit einem geschwungenen Verlauf radial sowie in Umfangsrichtung durchsetzt, wobei die umfangsbezogene Erstreckung (27) dieses geschwungenen Einströmkanals (20a*) oder geschwungenen Ausströmkanals (21a*) wenigstens doppelt so groß ist wie die radiale Erstreckung (28) derselben.
Elektromaschine nach einem der Ansprüche 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die radial außen ausgebildete Eintrittsöffnung (43) des wenigstens einen Einströmkanals (40a, 40b, 40c, 40d) größer ist als dessen radial innen ausgebildete Eintrittsöffnung (42).
Elektromaschine nach einem der Ansprüche 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die radial innen ausgebildete Austrittsöffnung (44) des wenigstens einen Ausströmkanals (41a, 41b, 41c, 41d) größer ist als dessen radial außen ausgebildete Austrittsöffnung (45).
Elektromaschine nach einem der Ansprüche 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass neben der radial äußeren Eintrittsöffnung (43) des wenigstens einen Einströmkanals (40a, 40b, 40c, 40d) an der Außenseite (33) der Rotorwelle (5) ein radial nach außen weisendes Leitelement (50) ausgebildet oder angeordnet ist.
Elektromaschine nach einem der Ansprüche 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar stromabwärts hinter der radial inneren Austrittsöffnung (44) des wenigstens einen Ausströmkanals (41a, 41b, 41c, 41d) an der Innenseite (34) der Rotorwelle (5) ein radial nach innen weisendes Leitelement (52) ausgebildet oder angeordnet ist.
Elektromaschine nach einem der Ansprüche 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass an der radialen Innenseite (33) der Rotorwelle (5) wenigstens eine sich parallel zur deren Längsachse (17) erstreckende Leitvorrichtung (55, 56, 57, 58) angeordnet oder ausgebildet ist.
Elektromaschine nach einem der Ansprüche 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass an der radialen Innenseite (33) der Rotorwelle (5) eine Leitvorrichtung (55, 56, 57, 58) angeordnet oder ausgebildet ist, welche wenigstens einen sich nach radial innen erstreckenden, schraubenförmig ausgebildeten Steg aufweist.
Elektromaschine nach einem der Ansprüche 1 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung (29) des Auslasskanals (14) im Gehäuse (2) tangential zur radialen Außenseite (33) der Rotorwelle (5) ausgerichtet ist.