DE102017214560A1

DE102017214560A1 - Mehrteilige Rotorwelle für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102017214560A1
Application number: DE102017214560.9A
Authority: DE
Inventors: Holger Fröhlich; Andreas Siewert
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2019-02-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mehrteilige Rotorwelle (1) für eine elektrische Maschine (21). Die mehrteilige Rotorwelle (1) umfasst einen ersten Wellenzapfen (2) mit einem ersten Stirnflansch (3) und mit einer ersten axialen Durchgangsbohrung (12), einen zweiten Wellenzapfen (4) mit einem zweiten Stirnflansch (5), einen rohrförmigen Träger (6) für ein Rotorblechpaket (7) und ein Leitungselement (9) zur Durchleitung eines Kühlmediums, wobei der Träger (6) für das Rotorblechpaket (7) zwischen dem ersten Wellenzapfen (2) und dem zweiten Wellenzapfen (4) angeordnet ist, wobei der Träger (6), der erste Stirnflansch (3) und der zweite Stirnflansch (5) zwischen sich einen Hohlraum (8) begrenzen, wobei das Leitungselement (9) einen Kühlkanal (10) innerhalb des Hohlraums (8) bildet, wobei der Kühlkanal (9) mit der ersten axialen Durchgangsbohrung (12) verbunden ist und sich zwischen dem ersten Wellenzapfen (2) und dem zweiten Wellenzapfen (4) erstreckt, und wobei das Leitungselement (9) aus einem Metallschaum oder einem Kunststoff besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrteilige Rotorwelle für eine elektrische Maschine. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Rotor und eine elektrische Maschine.
Es sind mehrteilige Rotorwellen für elektrische Maschinen bekannt. Eine derartige Rotorwelle umfasst typischerweise einen beidseitig von Stirnflanschen abgeschlossenen Zylindermantel, wobei sich an den Stirnflanschen jeweils ein Wellenzapfen befindet. Üblicherweise ist zumindest in einem der Stirnflansche, insbesondere im Wellenzapfen, eine koaxiale Zugangsbohrung vorgesehen, die einen Zugang für ein Medium zu einem von dem Zylindermantel umgebenen Wellenhohlraum bildet. Solch hohle Rotorwellen können insbesondere dort eingesetzt werden, wo es auf eine möglichst leichte Bauweise ankommt.
Insbesondere kann zu Zwecken der Kühlung des Rotors ein Kühlmedium durch die hohlen Rotorwellen geleitet werden. Diesbezüglich sei beispielsweise auf die DE 10 2014 107 845 A1 verwiesen, welche beschreibt, ein Kühlmedium einem Hohlraum über ein Rohr zuzuführen und über einen Auslass wieder abzuleiten. Allerdings kann diese Art der Kühlung unter Umständen unzureichend sein und nicht im Verhältnis zum konstruktiven Aufwand und zu der Verschlechterung der Laufeigenschaften des Motors stehen.
Weiterhin sind elektrische Maschinen bekannt, bei denen ein Medium, z.B. ein Schmiermittel oder Kühlmittel, von einer Stirnseite zur anderen Stirnseite transportiert werden muss. In diesem Fall hat der Rotor eine reine Durchleitungsfunktion, für welche sich bislang bekannte Hohlwelle insofern kaum eignen. Bei solchen Maschinen mit Durchleitungsfunktion kann es aufgrund der erheblichen Aufweitung des Leitungsquerschnitts zu Laufunruhen kommen, die durch die Expansion des Mediums in der Hohlwelle und durch die Turbulenzen innerhalb der Hohlwelle verursacht werden. Zudem kann eine vollständig mit flüssigem Medium gefüllte Hohlwelle den Vorteil der Gewichtsersparnis wieder kompensieren. Insbesondere kann sich das Befüllen eines Hohlzylinders mit Flüssigkeit im Hinblick auf den Einsatz in der elektrischen Maschine negativ auf sein rotatorisches Trägheitsmoment auswirken.
Es sind auch verschiedene Lösungen zur Leitung und Verteilung eines Kühlmediums hin zur Wärmeübertragungsfläche bekannt, die meist eine vollständige, über die gesamte axiale und radiale Wegstrecke als Zwangsführung ausgelegte Leitung des Kühlmittels in Kanälen oder Bohrungen aufweisen.
Letztendlich weisen die bekannten Kühleinrichtungen zumindest einen der folgenden Nachteile auf: Auf der einen Seite werden zur Reduzierung des Volumenbedarfs zu geringe Querschnitte der für das Kühlmittel vorgesehenen Leitungen gewählt. Dabei reduziert eine solch kleine Durchgangsbohrung kaum das Gewicht der zu kühlenden Rotorwelle. Zudem kann das Kühlmittel wegen der ohnehin kleinen Flächen nur in geringem Maße an die zu kühlenden Bauteile, insbesondere an das sich in hohem Maße erwärmende Blechpaket, herangeführt werden. Das Kühlmittel benetzt oft nur kleine Flächen an der erwärmten Oberfläche und es kann zu keiner großflächigen Verteilung über den gesamten Umfang kommen.
Auf der anderen Seite können mit großen Leitungsquerschnitten und Hohlräumen in der Rotorwelle zwar nicht nur eine große Oberfläche zur Wärmeübertragung, sondern auch eine besonders leichte Bauweise realisiert werden. Allerdings ist es in diesem Fall nachteilig, dass der Hohlzylinder im Betrieb nahezu vollständig mit Kühlmittel angefüllt werden muss, da sich dadurch der Kühlmittelbedarf erhöht, was wiederum zur Zunahme der bewegten Masse führt, welche durch die Leichtbauweise gerade vermieden werden soll.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann daher darin bestehen, eine konstruktiv einfach aufgebaute und kostengünstig herstellbare mehrteilige Rotorwelle für eine elektrische Maschine bereitzustellen, wobei die Rotorwelle als Hohlwelle ausgeführt ist und bei geringem Gewicht sowie guten Laufeigenschaften eine effiziente Kühlfunktion und Durchleitungsfunktion erfüllt.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine mehrteilige Rotorwelle für eine elektrische Maschine bereitgestellt. Die mehrteilige Rotorwelle umfasst einen ersten Wellenzapfen mit einem ersten Stirnflansch und mit einer ersten axialen Durchgangsbohrung, einen zweiten Wellenzapfen mit einem zweiten Stirnflansch, einen rohrförmigen Träger für ein Rotorblechpaket und ein Leitungselement zur Durchleitung eines Kühlmediums, wobei der Träger für das Rotorblechpaket zwischen dem ersten Wellenzapfen und dem zweiten Wellenzapfen angeordnet ist, wobei der Träger, der erste Stirnflansch und der zweite Stirnflansch zwischen sich einen Hohlraum begrenzen, wobei das bevorzugt hohlzylindrische Leitungselement einen Kühlkanal innerhalb des Hohlraums bildet, wobei der Kühlkanal mit der ersten axialen Durchgangsbohrung verbunden ist und sich zwischen dem ersten Wellenzapfen und dem zweiten Wellenzapfen erstreckt, und wobei das Leitungselement aus einem Metallschaum oder einem Kunststoff besteht.
Die Wellenzapfen können drehfest mit dem Träger verbunden sein, sodass sich bei rotierenden Wellenzapfen der Träger mitdreht. Auf ähnliche Weise kann das Leitungselement drehfest mit dem Träger und/oder mit den Stirnflanschen verbunden sein, sodass sich bei rotierenden Wellenzapfen das Leitungselement mitdreht.
Die erfindungsgemäße Rotorwelle gewährleistet einen Medientransport, insbesondere einen Transport von Flüssigkeiten, z.B. von Schmiermittel oder Kühlmittel, insbesondere eine isolierende Kühlflüssigkeit wie Öl, aber auch von Ölnebel oder Gasen durch die bevorzugt hohlzylindrische Rotorwelle.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass keine vollständige Spülung stattfindet, sondern lediglich eine Benetzung der zu kühlenden Oberflächen mit Kühlflüssigkeit. Somit wird mit einer geringen Menge Kühlmittel und entsprechend kleinem Volumenstrom lediglich so viel von dem gesamten Wellenhohlraum durchströmt, dass nur die für den Wärmeaustausch wesentlichen inneren Oberflächen und insbesondere eine innere Mantelfläche des Trägers benetzt wird. Aufgrund der geringen Kühlmittelmenge kommt es entsprechend nur zu einer minimalen Zunahme der bewegten Massen und damit des Trägheitsmoments.
Insbesondere kann Wärme im Bereich des Rotorblechpakets abgeführt werden. Dazu kann vorgesehen sein, das Medium einseitig über die erste axiale Durchgangsbohrung, welche als Medieneinlass dient, in den Kühlkanal des Leitungselements einzuleiten, und über den Kühlkanal an das andere axiale Wellenende weiterzuleiten, welches durch den zweiten Wellenzapfen gebildet wird. Alternativ kann vorgesehen sein, das Medium an radiale Austrittsstellen am anderen Wellenende weiterzuleiten. Auf diese Weise kann eine Kühlung der Rotorwelle von innen heraus ermöglicht werden.
Durch eine entsprechende Verringerung der Temperaturen kann gerade bei einer definierten Bauteil-Grenztemperatur eine höhere Leistung des Rotors erreicht werden, sodass sich ein verbessertes Leistungsgewicht respektive Leistungsvolumen einer elektrischen Maschine ergeben kann. Die Erfindung ermöglicht somit eine leichtbauorientierte Konzeption eines Rotors bei geringem Kühlmitteleinsatz und bei besonders effizienter Kühlung. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass die zu rotierende Masse trotz des Kühlmittelinhaltes gering bleiben kann. Ein geringes Gewicht des Rotors ist von besonderem Wert für die Antriebseffizienz, da es sich um ein rotierendes Bauteil handelt. Dies bietet auch beim Beschleunigungsvorgang Effizienzvorteile. Weiterhin kann durch die effiziente Rotorkühlung eine Temperaturklasse bei der Anwendung von Permanentmagneten gesenkt werden, was ein Einsparpotenzial zur Folge hat.
Der in dem bevorzugt großvolumigen, zylindrischen Hohlraum angeordnete metallische Schaum ermöglicht eine enorme Gewichtsreduktion von ca. 90 % auf das Vollmaterial bezogen. Auch Kunststoffe eignen sich für dieses Leichtbaukonzept.
Ein besonderer Vorteil des Leitungselements ist, dass am gebauten Rotor nur geringfügige bauliche Veränderungen vorgenommen werden müssen, um das Kühlungskonzept und die Durchleitungsfunktion - auch als Baukastenlösung - zu realisieren. Das zusätzliche Leitelement kann über eine einfache Anschlussgeometrie in die Rotorwelle integriert und mit den Zuleitungen verbunden werden, sodass ein einfacher Kühlsystemaufbau bzw. Durchleitungsaufbau mit einer minimalen Anzahl an Zusatzkomponenten gegeben ist.
Ein bekannter Ansatz zur Gewichtsreduzierung des Rotors besteht darin, Teilbereiche inaktiver Blechzonen auszustanzen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird hingegen eine Architektur geschaffen, die sich auf einen aktiv magnetflusslenkenden Blechpaketquerschnitt beschränkt. Hierdurch lässt sich das Gewicht des Rotors und somit dessen Massenträgheitsmoment signifikant senken. Dabei kann ein maximal großer Bohrungsdurchmesser des Blechpakets gewählt werden. Auf inaktives Füllmaterial zwischen Rotorwelle und aktivem Elektroblech Material kann hingegen verzichtet werden. Stattdessen wird in den Träger zur drehfesten Aufnahme des Rotorblechpakets das Leitungselement eingesetzt, welches ein sehr geringes Gewicht mit einer großen Oberfläche vereint und somit ein Leichtbaukonzept mit einer optimalen Rotorkühlung kombiniert.
Außerdem ermöglicht der Metallschaum die Körperschallemission des Bauteils zu reduzieren und in andere Frequenzbereiche zu verschieben, wodurch auch eine Kombination aus Leichtbau und Schall-/Vibrationsdämpfung erlaubt wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Metallschaum offen-porig ist. Dadurch wird zum einen die Durchleitung von Kühlmedium durch den Kühlkanal erleichtert. Weiterhin kann Kühlmedium den offen-porigen Metallschaum in radialer Richtung durchdringen und die innere Mantelfläche des Trägers des Rotorblechpakets benetzen, sodass eine effiziente Kühlung des Rotorblechpakets ermöglicht wird. Dabei erlaubt das Leitungselement eine effiziente und umfänglich gleich verteilte Beaufschlagung von inneren Oberflächen des Leitungselements selbst sowie des den Hohlraum umgebenden zylindrischen Trägers mit einer verhältnismäßig kleinen aber dennoch ausreichenden Menge an insbesondere durchfließender Kühlflüssigkeit.
Ein Medium, das den offen-porigen Metallschaum durchströmt, kann Wärme der Metallmatrix des Metallschaums aufnehmen. Dabei kann das den Schaum in radialer Richtung durchströmende Medium insbesondere durch Fliehkräfte der rotierenden Rotorwelle angetrieben werden. Kühlelemente aus offen-porigem Metallschaum bieten eine maximale Effektivität bei äußerst geringen Abmessungen. Betrachtet man einen offen-porigen Metallschaum aus der Nähe, so bieten er bedingt durch seine filigrane Struktur eine enorm große Oberfläche, was ideal für Kühlzwecke ist. Beispielsweise können metallische Schäume mit einer Ausgangsgröße von 450 x 250 x 40 mm eine Oberfläche eines Fußballfeldes aufweisen. Aufgrund seines knochenähnlichen Aufbaus zeichnet sich der offen-porige Metallschaum auch durch sehr gute mechanische Eigenschaften aus und eignet sich daher hervorragend für Leichtbauteile.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Metallschaum geschlossen-porig ist. Das Leitungselement kann in dieser Ausführungsform insbesondere mediendicht innerhalb des Hohlraums angeordnet sein. Die Ausführung des Leitungselements aus Kunststoff eignet sich ebenfalls für diese Ausführungsform. Das Leitungselement kann sich gemäß dieser Ausführungsform insbesondere an einer inneren Mantelfläche des Trägers abstützen. Beispielsweise kann das Leitungselement einen sternförmigen Querschnitt aufweisen, wobei sich radial äußere Enden eines solchen sternförmigen Leitungselements an der inneren Mantelfläche des Trägers abstützen können. Ein sternförmiger Querschnitt bildet einen besonders guten Kompromiss zwischen hoher Wärmeabfuhr und guter Abstützmöglichkeit auf der einen Seite und hoher Gewichtsersparnis auf der anderen Seite.
Ferner kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Metallschaum auf einem Aluminium-Werkstoff oder auf einem Kupfer-Werkstoff basiert. Die genannten Werkstoffe ermöglichen eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit, und daher eine besonders effektive und effiziente Kühlung des Rotors, insbesondere im Bereich des Rotorblechpakets.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Leitungselement an seinem äußeren Umfang ein Gewinde zur Leitung von Kühlmedium über eine innere Mantelfläche des Trägers aufweist. Dadurch wird ermöglicht, dass Kühlflüssigkeit besonders effektiv über die innere Mantelfläche des zylindrischen Trägers geleitet wird, insbesondere in Richtung der Wellenzapfen.
Außerdem kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Gewinde in beiden Richtungen mehrgängig ist. Durch das mehrgängige Gewinde kann eine besonders große Steigung der einzelnen Gewindegänge ermöglicht werden, was sich besonders positiv auf die Benetzung der inneren Mantelfläche des zylindrischen Trägers auswirkt. Unter dem Merkmal „in beiden Richtungen mehrgängig“ kann in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass das Gewinde einen ersten Gewindeabschnitt aufweist, welcher linksgängig ausgeführt ist, und dass das Gewinde einen zweiten Gewindeabschnitt aufweist, welcher rechtsgängig ausgeführt ist. Der linksgängige Gewindeabschnitt kann, wenn das Leitungselement rotiert, Kühlflüssigkeit aus einem mittleren Bereich des Leitungselements zu einem der Wellenzapfen fördern. Auf ähnliche Weise kann der rechtsgängige Gewindeabschnitt, wenn das Leitungselement rotiert, Kühlflüssigkeit aus dem mittleren Bereich zu dem anderen Wellenzapfen fördern.
Ferner kann innerhalb des Kühlkanals eine Förderspirale angeordnet sein. Die Förderspirale kann insbesondere drehfest mit dem Leitungselement verbunden sein. Auf diese Weise kann die Förderspirale insbesondere dazu eingerichtet sein, ein Kühlmedium wie eine Schneckenpumpe durch den Kühlkanal zu fördern, wenn sich das Leitungselement dreht.
Alternativ kann das Leitungselement konisch ausgeführt sein, um eine Förderung von Kühlmittel, welches in radialer Richtung nach außen durch den offen-porigen Metallschaum gefördert worden ist, in Längsrichtung des Leitungselements zu den Wellenzapfen hin zu ermöglichen.
Darüber hinaus sieht eine Weiterbildung vor, dass der zweite Wellenzapfen eine zweite axiale Bohrung aufweist, die mit dem Kühlkanal verbunden ist. Bei der zweiten axialen Bohrung kann es sich insbesondere um eine Sacklochbohrung oder um eine Durchgangsbohrung handeln. Somit kann insbesondere ein Kühlmedium dem ersten Wellenzapfen zugeführt werden, durch den Kühlkanal innerhalb des Trägers für das Rotorblechpaket geleitet werden, und über den zweiten Wellenzapfen wieder abgeführt werden. Auf diesem beschriebenen Weg kann das Kühlmittel Wärme aufnehmen und somit einen besonders großen Teil insbesondere des Rotors der elektrischen Maschine kühlen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zweite Wellenzapfen wenigstens eine radiale Bohrung aufweist, die mit der zweiten axialen Bohrung verbunden ist. Die wenigstens eine radiale Bohrung kann eine Düse bilden, welche derart geformt und orientiert sein kann, dass Kühlflüssigkeit aus dem Kühlkanal in die zweite axiale Bohrung und in die radiale Bohrung geleitet wird und mittels Fliehkraft aus der radialen Bohrung herausgeschleudert wird, sodass das Kühlmittel beispielsweise zu Statorwickelköpfen der elektrischen Maschine gelangt und diese kühlen kann. Diese Ausführungsform wirkt besonders effektiv mit einem Leitungselement aus einem geschlossen-porigen Metallschaum oder Kunststoff zusammen. Ferner kann auch der erste Wellenzapfen wenigstens eine entsprechende radiale Bohrung aufweisen, die mit der ersten axialen Durchgangsbohrung verbunden ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Rotor für eine elektrische Maschine bereitgestellt. Der Rotor umfasst eine mehrteilige Rotorwelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und ein Rotorblechpaket, welches drehfest auf dem Träger der mehrteiligen Rotorwelle gelagert ist.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug bereitgestellt. Die elektrische Maschine umfasst einen Rotor gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Bei dem Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug, wie Auto, Bus oder Lastkraftwagen, oder aber auch um ein Schienenfahrzeug, ein Schiff, ein Luftfahrzeug, wie Helikopter oder Flugzeug, oder beispielsweise um ein Fahrrad.
Die elektrische Maschine, welche bei idealer Wärmeabfuhr ohne wesentlichen Einfluss der Kühlung auf das Beschleunigungsverhalten vergleichsweise klein bauen kann und dennoch eine hohe elektrische Dauerleistung bzw. ein entsprechend hohes Dauerdrehmoment zur Verfügung stellen kann, eignet sich ideal für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, insbesondere in elektrischen oder hybridisierten Antriebssträngen von Fahrzeugen, da hier eine hohe Leistungsfähigkeit bei minimalem Bauraum eine der Kernanforderungen ist. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine hat ihre bevorzugte Verwendung daher in einem solchen Anwendungsfeld, in dem sie für Kraftfahrzeug-Antriebsstränge, insbesondere als Motor, Generator und/oder Motor-Generator in seriellen oder parallelen hybridisierten Antriebssträngen sowie auch in rein elektrischen Antriebssträngen eingesetzt wird.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der teilweise schematischen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt

1 eine Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Rotorwelle mit einem Leitungselement aus einem geschlossen-porigen Metallschaum oder Kunststoff,
2 eine Querschnittdarstellung der Rotorwelle nach 1,
3 eine Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Rotorwelle mit einem Leitungselement aus einem offen-porigen Metallschaum,
4 eine Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Rotorwelle mit einer Förderspirale in einem Leitungselement,
5 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Rotorwelle,
6 eine perspektivische Ansicht eines Leitungselements mit Förderspirale für die Rotorwelle nach 5,
7 eine Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Rotorwelle mit einem Leitungselement aus einem offen-porigen Metallschaum und mit einer doppelt mehrgängigen Spiralnut,
8 eine Seitenansicht eines Leitungselements für die Rotorwelle nach 7,
9 eine perspektivische Ansicht des Leitungselements nach 8,
10 eine Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Rotorwelle mit einem Leitungselement aus einem offen-porigen Metallschaum, mit einer Förderspirale innerhalb des Leitungselements und mit einer Spiralnut,
11 eine Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Rotorwelle mit einem konisch geformten Leitungselement aus einem offen-porigen Metallschaum, und
12 eine Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.

1, 2 und 4 zeigen eine Rotorwelle 1, die als Hohlwelle ausgeführt ist. Die Rotorwelle 1 umfasst einen ersten Wellenzapfen 2 mit einem ersten Stirnflansch 3 und einen zweiten Wellenzapfen 4 mit einem zweiten Stirnflansch 5. Weiterhin weist die Rotorwelle 1 einen Träger 6 in Form eines Rohrs auf, wobei der Träger 6 drehfest ein Rotorblechpaket 7 aufnimmt, welches den Träger 6 in radialer Richtung r umgibt.
Der erste Stirnflansch 3 schließt den rohrförmigen Träger 6 auf einer ersten Stirnseite ab, die in 1 links dargestellt ist. Der zweite Stirnflansch 5 schließt den rohrförmigen Träger 6 auf einer zweiten Stirnseite ab, die in 1 rechts dargestellt ist. Insbesondere kann der Träger 6 drehfest mit den Stirnflanschen 3, 5 verbunden sein.
Zwischen dem rohrförmigen Träger 6, dem ersten Stirnflansch 3 und dem zweiten Stirnflansch 5 wird ein zylindrischer Hohlraum 8 mit kreisförmigem Querschnitt begrenzt. Innerhalb des Hohlraums 8 ist ein Leitungselement 9 angeordnet, welches einen Kühlkanal 10 bildet, der in dem durch 1 gezeigten Ausführungsbeispiel koaxial um eine Längsachse L der Rotorwelle 1 herum verläuft. Das Leitungselement 9 weist einen sternförmigen Querschnitt auf, wobei sich die radial äußeren Spitzen des sternförmigen Leitungselements 9 an einer inneren Mantelfläche 11 des rohrförmigen Trägers 6 abstützen (vgl. insbesondere 2). Das Leitungselement 9 kann insbesondere drehfest mit dem Träger 6 und/oder mit den Stirnflanschen 3, 5 verbunden sein.
Der Kühlkanal 10 kann eine erste zentrische Durchgangsbohrung 12 des ersten Wellenzapfens 2 mit einer zweiten axialen Durchgangsbohrung 13 des zweiten Wellenzapfens 4 verbinden. Die erste/zweite zentrische Durchgangsbohrung 12/13 verläuft kann koaxial um die Längsachse L der Rotorwelle 1 herum verlaufen. Weiterhin weisen in dem durch 1 gezeigten Ausführungsbeispiele die erste axiale Durchgangsbohrung 12, der Kühlkanal 10 sowie die zweite axiale Durchgangsbohrung 13 jeweils den gleichen Durchmesser auf und verlaufen in radialer Richtung r gesehen auf gleicher Höhe. Insbesondere kann der ersten axialen Durchgangsbohrung 12 ein Medium zugeführt werden, beispielsweise eine Kühlflüssigkeit, welche durch den Kühlkanal 10 geleitet und über die zweite axiale Durchgangsbohrung 13 wieder abgeführt werden kann.
Der erste Wellenzapfen 2 kann mehrere erste radiale Bohrungen 14 aufweisen (vgl. 4), welche die erste axiale Durchgangsbohrung 12 mit einer äußeren Umfangsfläche 15 des ersten Wellenzapfens 2 verbinden. Auf ähnliche Weise können in dem zweiten Wellenzapfen 4 mehrere zweite radiale Bohrungen 16 vorgesehen sein, welche die zweite axiale Durchgangsbohrung 13 mit einer äußeren Umfangsfläche 17 des zweiten Wellenzapfens 4 verbinden.
Wenn die Rotorwelle 1 rotiert, entstehen Fliehkräfte, welche dazu führen, dass z.B. Kühlflüssigkeit, welche sich innerhalb der ersten/zweiten axialen Durchgangsbohrung 12/13 befindet durch die ersten/zweiten radialen Bohrungen 14/16 nach außen geschleudert werden. Die ersten/zweiten radialen Bohrungen 14/16 können insbesondere derart an dem ersten/zweiten Wellenzapfen 2/4 angeordnet und orientiert sein, dass aus den radialen Bohrungen 14/16 austretende Kühlflüssigkeit an jeweils einen Statorwickelkopf 18, 19 eines Stators 20 einer elektrischen Maschine 21 (vgl. 12) zur Kühlung der Statorwickelköpfe 18, 19 geschleudert werden kann. Mögliche Strömungswege von Kühlflüssigkeit durch die Rotorwelle 1 sind in 1 durch Pfeile 22 verdeutlicht.
Das durch 1 und 2 gezeigte Leitungselement 9 kann beispielsweise aus einem geschlossen-porigen Metallschaum oder aus einem Kunststoff bestehen. Auf diese Weise kann eine Medien-dichte Verbindung des Kühlkanals 10 mit den axialen Durchgangsbohrung 12 und 13 erzeugt werden, wozu das Leitungselement 9 zusätzlich jeweils über einen O-Ring 23 gegenüber den Stirnflanschen 4/6 abgedichtet sein kann (vgl. 4). Gemeinsam bilden die Rotorwelle 1 und das Rotorblechpaket 7 einen Rotor 24. 4 zeigt weiterhin, dass innerhalb des Kühlkanals 10 eine Förderspirale 25 angeordnet sein kann, welche drehfest mit dem Leitungselement 9 verbunden ist. Wenn das Leitungselement 9 rotiert, dreht sich die Förderspirale 25 entsprechend mit und kann im Sinne einer Archimedischen Schraube insbesondere ein Kühlmedium in axialer Richtung L durch den Kühlkanal 10 fördern.
3 zeigt einen weiteren Rotor 24 mit einer hohlen Rotorwelle 1, welche einen ähnlichen Grundaufbau aufweist wie die Rotorwelle 1 nach 1. Allerdings weist die Rotorwelle 1 nach 3 ein unterschiedlich ausgestaltetes Leitungselement 9 auf, das aus einem offen-porigen Metallschaum besteht. Ein Medium, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, kann über die erste axiale Durchgangsbohrung 12 des ersten Wellenzapfens 2 dem Kühlkanal 10 zugeführt werden. Wenn das Leitungselement 9 rotiert, dreht sich das Leitungselement 9 aus offen-porigem Metallschaum mit. Durch die dabei entstehenden Fliehkräfte kann die Kühlflüssigkeit die Poren des Leitungselements 9 in radialer Richtung r durchdringen und bis zu der inneren Mantelfläche 11 des Trägers 6 gelangen und die innere Mantelfläche 11 zu dessen Kühlung benetzen.
5 zeigt eine weitere hohle Rotorwelle 1 mit einem ersten Wellenzapfen 2 einschließlich eines ersten Stirnflansches 3, mit einem zweiten Wellenzapfen 3 einschließlich eines zweiten Stirnflansches 4 sowie mit einem Träger 6 für ein nicht dargestelltes Rotorblechpaket (vgl. diesbezüglich z.B. 1 bis 4). Die Wellenzapfen 2 und 3 können radiale Bohrungen 14, 16 aufweisen, wie dies im Zusammenhang mit 1 bis 4 beschrieben worden ist (ein Austritt einer solchen radialen Bohrung 14 innerhalb des ersten Wellenzapfens 2 ist in 5 dargestellt). 6 zeigt ein Leitungselement 9, welches innerhalb des rohrförmigen Trägers 6 nach 5 angeordnet sein kann, ähnlich wie dies im Zusammenhang mit 1 bis 4 beschrieben ist. Das Leitungselement 9 weist einen Querschnitt auf, welcher von dem Querschnitt nach 1 bis 4 abweicht. Auch in dem Leitungselement 9 nach 6 ist eine Förderspirale 25 angeordnet.
7 zeigt einen weiteren Rotor 24 mit einer hohlen Rotorwelle 1, welche einen ähnlichen Grundaufbau aufweist wie die Rotorwelle 1 nach 3. Die Rotorwelle 1 nach 7 umfasst ein Leitungselement 9, dass aus einem offen-porigen Metallschaum besteht. Ein Medium, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, kann über die erste axiale Durchgangsbohrung 12 des ersten Wellenzapfens 2 dem Kühlkanal 10 zugeführt werden. Wenn das Leitungselement 9 rotiert, dreht sich das Leitungselement 9 aus offen-porigem Metallschaum mit. Durch die dabei entstehenden Fliehkräfte kann die Kühlflüssigkeit die Poren des Leitungselements 9 in radialer Richtung r durchdringen und bis zu der inneren Mantelfläche 11 des Trägers 6 gelangen und die innere Mantelfläche 11 zu dessen Kühlung benetzen. Das Leitungselement 9 kann weiterhin an seiner äußeren Umfangsfläche ein insbesondere mehrgängiges Gewinde 26 bilden, das in dem gezeigten Ausführungsbeispiel linksgängig und rechtsgängig ausgeführt ist. Das Gewinde 26 ermöglicht die Förderung von Kühlflüssigkeit in axialer Richtung L hin zu dem ersten Wellenzapfen 2 und hin zu dem zweiten Wellenzapfen 4.
8 und 9 zeigen wie ein Gewinde 26 für das Leitungselement 9 nach 7 ausgeführt sein kann. So kann das Gewinde 26 eine erste mehrgängige Spiralnut 27 aufweisen, welche linksgängig ausgeführt ist. Weiterhin kann das Gewinde 26 eine zweite mehrgängige Spiralnut 28 aufweisen, welche rechtsgängig ausgeführt ist. Die linksgängige Spiralnut 27 kann, wenn das Leitungselement 9 rotiert, Kühlflüssigkeit aus einem mittleren Bereich 29 des Leitungselements (bezogen auf die Längsachse L des Leitungselements 9) zu dem ersten Wellenzapfen 2 fördern (vgl. 7) . Auf ähnliche Weise kann die rechtsgängige Spiralnut 28 bei rotierendem Leitungselement 9 Kühlflüssigkeit aus dem mittleren Bereich 29 zu dem zweiten Wellenzapfen 4 fördern (vgl. 7).
10 zeigt einen weiteren Rotor 24 mit einer hohlen Rotorwelle 1, welche prinzipiell den gleichen Aufbau aufweist wie die Rotorwelle 1 nach 7. Zusätzlich ist, ähnlich wie z.B. durch 4 gezeigt - innerhalb des durch das Leitungselement 9 gebildeten Kühlkanals 10 eine Förderspirale 25 angeordnet.
11 zeigt einen weiteren Rotor 24 mit einer hohlen Rotorwelle 1, welche sich von der Rotorwelle 1 nach 10 insbesondere dadurch unterscheidet, dass das Leitungselement 9 konisch ausgeführt ist und kein Gewinde 26 aufweist. Insbesondere kann das Leitungselement 9 ein erstes konisches Element 30 und ein zweites konisches Element 31 aufweisen. Dabei verjüngen sich beide Elemente 30 und 31 in Richtung der Mitte 29 des Leitungselement 9 (bezogen auf die Längsachse L des Leitungselement 9) . Die äußere konische Oberfläche 32 der konischen Elemente 30 und 31 unterstützt das Fördern von Kühlmittel in Richtung der Stirnflansche 3 und 5, aus denen es über Öffnungen austreten kann. Mögliche Strömungsrichtungen von Kühlflüssigkeit sind in 11 mit Pfeilen 22 dargestellt.
12 zeigt eine elektrische Maschine 21, welche eine hohle Rotorwelle 1 mit einem ersten Wellenzapfen 2, mit einem zweiten Wellenzapfen 4, mit einem Träger 6 (in 12 nicht dargestellt) und mit einem Leitungselement 9 aus einem offen-porigen Metallschaum aufweist. Die Rotorwelle 1 kann beispielsweise ähnlich ausgeführt sein, wie dies durch 3, 7, 10 oder 11 dargestellt ist.
Die Wellenzapfen 2, 4 sind jeweils in einem Wellenlager 32 drehbar aufgenommen, wobei die Wellenlager 32 drehfest in einem Gehäuse 33 der elektrischen Maschine 21 gelagert sind. Ein Stator 20 umgibt in radialer Richtung r ein Rotorblechpaket 7, welches drehfest an dem Träger 6 befestigt ist. Zwei Statorwickelköpfe 18, 19 des Stators 20 erstrecken sich in Längsrichtung L über das Rotorblechpaket 7 hinaus und können von Kühlmittel benetzt werden, insbesondere von Öl oder von einem Ölnebel. Das Kühlmittel wird bei sich drehender Rotorwelle 1 aus radialen Bohrungen 14, 16 der Wellenzapfen 2, 4 herausgeschleudert. Das Kühlmittel kann anschließend in einen Kühlmittelsumpf 34 am Boden der elektrischen Maschine 21 abtropfen und sich dort sammeln.
Aus dem Kühlmittelsumpf 34 kann das Kühlmittel zu dessen Rückkühlung einem Wärmetauscher 35 eines Umlaufkühlkreislaufs 36 zugeführt werden. Anschließend kann das Kühlmittel wieder der Rotorwelle 1 zugeführt werden, insbesondere über die erste axiale Durchgangsbohrung 12 des ersten Wellenzapfens 2. Durch den Wärmetauscher 35 kann weiterhin Kühlwasser eines Haupt-Kühlkreislaufs 37 geleitet werden, wobei das Kühlwasser über einen Hauptwasserkühler 38 rückgekühlt werden kann.
Mögliche Strömungsrichtungen von Kühlflüssigkeit sind in 12 mit Pfeilen 22 dargestellt. 12 zeigt weiterhin das die elektrische Maschine 21 ein integriertes Getriebe 39 aufweisen kann, welches mehrere Zahnräder 40 aufweist, wobei das Getriebe 39 mit dem zweiten Wellenzapfen 4 gekoppelt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014107845 A1 [0003]

Claims

Eine mehrteilige Rotorwelle (1) für eine elektrische Maschine (21), die mehrteilige Rotorwelle (1) umfassend: - einen ersten Wellenzapfen (2) mit einem ersten Stirnflansch (3) und mit einer ersten axialen Durchgangsbohrung (12), - einen zweiten Wellenzapfen (4) mit einem zweiten Stirnflansch (5), - einen rohrförmigen Träger (6) für ein Rotorblechpaket (7) und - ein Leitungselement (9) zur Durchleitung eines Kühlmediums, wobei - der Träger (6) für das Rotorblechpaket (7) zwischen dem ersten Wellenzapfen (2) und dem zweiten Wellenzapfen (4) angeordnet ist, - der Träger (6), der erste Stirnflansch (3) und der zweite Stirnflansch (5) zwischen sich einen Hohlraum (8) begrenzen, - das Leitungselement (9) einen Kühlkanal (10) innerhalb des Hohlraums (8) bildet, wobei der Kühlkanal (9) mit der ersten axialen Durchgangsbohrung (12) verbunden ist und sich zwischen dem ersten Wellenzapfen (2) und dem zweiten Wellenzapfen (4) erstreckt, und - das Leitungselement (9) aus einem Metallschaum oder einem Kunststoff besteht.
Die mehrteilige Rotorwelle (1) nach Anspruch 1, wobei der Metallschaum offen-porig ist.
Die mehrteilige Rotorwelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Metallschaum geschlossen-porig ist.
Die mehrteilige Rotorwelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Metallschaum auf einem Aluminium-Werkstoff oder auf einem Kupfer-Werkstoff basiert.
Die mehrteilige Rotorwelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Leitungselement (9) an seinem äußeren Umfang ein Gewinde (26) zur Leitung von Kühlmedium über eine innere Mantelfläche (11) des Trägers (6) aufweist.
Die mehrteilige Rotorwelle (1) nach Anspruch 5, wobei das Gewinde (26) in beiden Richtungen mehrgängig ist.
Die mehrteilige Rotorwelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Leitungselement (9) konisch ausgeführt ist.
Die mehrteilige Rotorwelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei innerhalb des Kühlkanals (10) eine Förderspirale (25) angeordnet ist.
Die mehrteilige Rotorwelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zweite Wellenzapfen (4) eine zweite axiale Bohrung (13) aufweist, die mit dem Kühlkanal (10) verbunden ist.
Die mehrteilige Rotorwelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zweite Wellenzapfen (4) wenigstens eine radiale Bohrung (16) aufweist, die mit der zweiten axialen Bohrung (13) verbunden ist.
Ein Rotor (24) für eine elektrische Maschine (21), der Rotor (24) umfassend eine mehrteilige Rotorwelle (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche und ein Rotorblechpaket (7), welches drehfest auf dem Träger (6) der mehrteiligen Rotorwelle gelagert ist.
Eine elektrische Maschine (21) für ein Fahrzeug, die elektrische Maschine (21) umfassend einen Rotor (24) nach Anspruch 11.