DE102017218351A1

DE102017218351A1 - Rotorhohlwelle mit integriertem Pumpenelement

Info

Publication number: DE102017218351A1
Application number: DE102017218351.9A
Authority: DE
Inventors: Holger Fröhlich; Andreas Siewert
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2019-04-18
Also published as: WO2019072489A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotorhohlwelle (12) für einen Rotor (10) einer elektrischen Maschine (64), umfassend einen beidseitig von einem ersten Stirnflansch (22) und einem zweiten Stirnflansch (24) abgeschlossenen zylinderförmig ausgebildeten Blechpaketträger (16), der einen Wellenhohlraum (26) umgibt, wobei in dem ersten Stirnflansch (22) eine Einlassöffnung (30) ausgebildet ist, und ein innerhalb des Wellenhohlraums (26) angeordnetes Pumpenelement (14), das mit der Einlassöffnung (30) fluidtechnisch verbunden ist und derart angeordnet und ausgebildet ist, dass über das Pumpenelement (14) ein Kühlmedium (32) über die Einlassöffnung (30) ansaugbar und über eine Austrittsöffnung (52) des Pumpenelements (14) gegen eine innere Mantelfläche (34) des zylinderförmig ausgebildeten Blechpaketträgers (16) beförderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotorhohlwelle mit einem integrierten Pumpenelement zur Kühlung eines Rotors und/oder Stators einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Antriebseinrichtung bzw. eines Motors und/oder Generators. Zudem betrifft die Erfindung einen Rotor, der die mit wenigstens einem Blechpaket bestückte erfindungsgemäße Rotorhohlwelle umfasst. Weiter betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit dem erfindungsgemäßen Rotor. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Maschine, aufweisend den erfindungsgemäßen Rotor.
Antriebseinrichtungen, insbesondere Hybrid-Antriebseinrichtungen, werden eingesetzt, um Kraftfahrzeuge anzutreiben, wobei Hybrid-Antriebseinrichtungen typischerweise eine Verbrennungskraftmaschine und eine elektrische Maschine aufweisen. Die dabei als Motor und Generator fungierende elektrische Maschine weist eine Welle mit einem an der Welle angeordneten Rotor und einen den Rotor umgebenden ortsfest angeordneten Stator auf. Der Stator und der Rotor sind innerhalb eines Gehäuses der elektrischen Maschine angeordnet.
In der elektrischen Maschine, insbesondere in dessen Stator und/oder Rotor, entsteht Abwärme, sodass eine Kühlung der elektrischen Maschine erforderlich ist. Um die elektrische Maschine zu kühlen, ist es üblich, ein Kühlmedium in Form von Luft oder gegebenenfalls Wasser zur Kühlung der elektrischen Maschine einzusetzen und dieses Kühlmedium durch zumindest einen Bereich der Maschine zu leiten. Nachteilig hierbei ist die eingeschränkte Kühlung der elektrischen Maschine, da nur bestimmte Bereiche vom Kühlmedium durchströmt werden.
Weiterhin ist aus der DE 10 2014 107 845 A1 eine Rotorhohlwelle für einen Rotor einer elektrischen Maschine bekannt, bei der der Rotorhohlwelle eine Kühlflüssigkeit zugeführt wird. Demnach ist vorgesehen, dass die Rotorhohlwelle einen beidseitig von Stirnflanschen abgeschlossenen Zylindermantel aufweist, der einen Wellenhohlraum umgibt, wobei an den Stirnflanschen jeweils ein Wellenzapfen ausgebildet ist und wobei in einem der Wellenzapfen ein Einlass vorgesehen ist, über den eine Kühlflüssigkeit in den Wellenhohlraum und an die Innenfläche des Zylindermantels gelangt. Im Wellenhohlraum ist ein Verteilelement angeordnet, das die über den Einlass eintretende Kühlflüssigkeit aufnimmt, über eine rotationssymmetrische Ableitfläche in Richtung der Innenfläche des Zylindermantels führt und über einen Mündungsbereich auf die Innenfläche abgibt. Nachteilig bei diesem Konzept ist, dass von außen aktiv Kühlflüssigkeit dem Wellenhohlraum zugeführt werden muss und, dass bedingt durch die rotationssymmetrische Ableitfläche innerhalb des Wellenhohlraums keine gleichmäßige Kühlung des Wellenhohlraums in axialer Richtung des Wellenhohlraums erzielbar ist.
Es besteht ein regelmäßiges Bedürfnis die Kühlung von elektrischen Maschinen zu optimieren, um einerseits eine gleichmäßige Kühlung innerhalb des Rotors zu erzielen, wodurch Kontaktspannungen der Rotorlagerung reduziert werden können und, um andererseits den Bauraum der elektrischen Maschine zu reduzieren.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rotorhohlwelle für eine elektrische Maschine bereitzustellen, mit der eine gleichmäßige Kühlung eines Rotors und/oder Stators erzielbar ist und, mit Hilfe derer der Bauraum einer elektrischen Maschine reduzierbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen angegeben, wobei jedes Merkmal sowohl einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen kann. Dabei können alle Kombinationen wie auch vereinzelte Kombinationen zwischen den Merkmalen der Rotorhohlwelle, des Rotors, der elektrischen Maschine und/oder des Verfahrens zusammen genutzt werden. Weiterhin ist es jeweils auch vorgesehen und möglich, einzelne oder mehrere Merkmale der Rotorhohlwelle, des Rotors, der elektrischen Maschine und/oder des Verfahrens beliebig zu kombinieren.
Erfindungsgemäß ist eine Rotorhohlwelle für einen Rotor einer elektrischen Maschine vorgesehen, umfassend einen beidseitig von einem ersten Stirnflansch und einem zweiten Stirnflansch abgeschlossenen zylinderförmig ausgebildeten Blechpaketträger, der einen Wellenhohlraum umgibt, wobei in dem ersten Stirnflansch eine Einlassöffnung ausgebildet ist, und ein innerhalb des Wellenhohlraums angeordnetes Pumpenelement, das mit der Einlassöffnung fluidtechnisch verbunden ist und derart angeordnet und ausgebildet ist, dass über das Pumpenelement ein Kühlmedium über die Einlassöffnung ansaugbar und über eine Austrittsöffnung des Pumpenelements gegen eine innere Mantelfläche des zylinderförmig ausgebildeten Blechpaketträgers beförderbar ist.
Es ist somit ein Aspekt der Erfindung, dass die Rotorhohlwelle einen zylinderförmig ausgebildeten Blechpaketträger aufweist, der beidseitig an den zueinander in axialer Richtung beabstandeten Endbereichen jeweils mit einem Stirnflansch abgeschlossen ist, so dass durch den zylinderförmig ausgebildeten Blechpaketträger ein Wellenhohlraum ausgebildet wird. Auf den Blechpaketträger ist vorzugsweise in Längsrichtung des zylinderförmigen Blechpaketträgers wenigstens ein Blechpaket angeordnet, um den Rotor auszubilden.
Innerhalb des ersten Stirnflanschs ist eine Einlassöffnung ausgebildet, über die ein Kühlmedium dem Wellenhohlraum zuführbar ist. Die Einlassöffnung ist vorzugsweise in Achsrichtung der Rotorachse ausgebildet.
Weiterhin ist vorgesehen, dass innerhalb des Wellenhohlraums ein Pumpenelement angeordnet ist, das mit der Einlassöffnung fluidtechnisch verbunden ist. Das Pumpenelement ist derart angeordnet und ausgebildet, dass das Pumpenelement ein Kühlmedium über die Einlassöffnung ansaugt und über eine Austrittsöffnung des Pumpenelements gegen eine innere Mantelfläche des zylinderförmig ausgebildeten Blechpaketträgers befördert. Auf diese Weise wird über das innerhalb des Wellenhohlraums angeordnete Pumpenelement das Kühlmedium in den Wellenhohlraum angesaugt, so dass keine außerhalb des Rotors angeordnete Pumpeneinrichtung zur aktiven Beförderung des Kühlmediums in den Wellenhohlraum erforderlich ist. Somit kann der Bauraum der elektrischen Maschine durch die Ausbildung der Rotorhohlwelle mit dem integrierten Pumpenelement reduziert werden.
Über die Austrittsöffnung des Pumpenelements wird das Kühlmedium an und/oder gegen die innere Mantelfläche befördert und/oder gespritzt. Auf dies Weise kann das Kühlmedium vorzugsweise auf Stellen innerhalb des Blechpaketträgers gerichtet werden, die sich besonders schnell erwärmen oder bei denen sich eine Erwärmung staut. Auf diese Weise kann über das Pumpenelement innerhalb des Wellenhohlraums eine gleichmäßige Kühlung des Rotors ermöglicht werden, um Kontaktspannungen der Rotorlagerung aufgrund eines zu großen Temperaturgradienten zwischen einem inneren Lagerring und einem äußeren Lagerung zu reduzieren.
Das Kühlmedium kann vorzugsweise eine Kühlflüssigkeit sein. Vorzugsweise ist das Kühlmedium ein Öl, ein Ölschaum, ein Spritzöl und/oder ein Getriebeöl. Besonders bevorzugt ist das Kühlmedium elektrisch nicht leitend ausgebildet und/oder ein elektrisch nicht leitendes Öl.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass das Pumpenelement ein selbstansaugendes Pumpenelement, insbesondere eine Kreiselpumpe, ist. Das selbstansaugende Pumpenelement ist vorzugsweise derart mit dem ersten Stirnflansch gekoppelt, dass durch eine Rotation der Rotorhohlwelle über das Pumpenelement ein Unterdruck in dem Wellenhohlraum erzeugt wird, so dass das Pumpenelement über die Einlassöffnung das Kühlmedium ansaugt. Auf diese Weise kann alleine durch die Ausgestaltung und/oder Ausbildung des selbstansaugenden Pumpenelements das Kühlmedium über die Einlassöffnung in einfacher Weise angesaugt werden. Somit ist keine gesonderte Ansteuerung des Pumpenelements erforderlich, wodurch Kosten und/oder der Bauraum des Rotors reduziert werden können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Pumpenelement ein Durchleitelement aufweist, das einen ersten Endabschnitt und einen zum ersten Endabschnitt in axialer Richtung beabstandet angeordneten zweiten Endabschnitt aufweist, der erste Endabschnitt mit der Einlassöffnung fluidtechnisch verbunden ist, und der zweite Endabschnitt verschlossen ist, wobei zwischen dem ersten Endabschnitt und dem zweiten Endabschnitt wenigstens eine Durchlassöffnung ausgebildet ist, und auf dem Durchleitelement im Bereich der Durchlassöffnung ein Pumpenlaufrad angeordnet ist. Auf diese Weise wird die Ausbildung einer Kreiselpumpe angegeben, die innerhalb des Wellenhohlraums angeordnet und mit dem ersten Stirnflansch verbunden und/oder in diesem eingespannt ist. Grundsätzlich kann es ausreichen, dass das Durchleitelement eine Durchlassöffnung aufweist. Für gewöhnlich ist vorgesehen, dass das Durchleitelement eine Mehrzahl von Durchlassöffnungen aufweist, die in Umfangsrichtung zueinander beabstandet angeordnet sind. Durch eine Rotation des Rotors wird das mit dem ersten Stirnflansch drehfest verbundene Durchleitelement und somit auch das auf dem Durchleitelement angeordnete Pumpenlaufrad in Rotation versetzt, wodurch das Pumpenlaufrad einen Unterdruck und/oder eine Sogwirkung erzeugt und somit das Kühlmedium über die wenigstens eine im Durchleitelement angeordnete Durchlassöffnung und die Einlassöffnung ansaugt.
In diesem Zusammenhang sieht eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung vor, dass das Pumpenlaufrad wenigstens zwei zueinander beabstandet angeordnete Laufradscheiben und eine Mehrzahl von zwischen den Laufradscheiben angeordneten Laufradschauffeln aufweist, wobei die Laufradscheiben drehfest auf dem Durchleitelement angeordnet sind. Die Laufradschauffeln können einen geradlinigen aber auch einen in Umfangsrichtung leicht gekrümmten Verlauf aufweisen. In der Regel sind die Laufradschauffeln in Umfangsrichtung in regelmäßigen Abständen zueinander beabstandet angeordnet.
Grundsätzlich kann es ausreichen, dass das Pumpenelement ausschließlich mit dem ersten Stirnflansch verbunden ist. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass der zweite Endabschnitt des Durchleitelements bis zum zweiten Stirnflansch geführt und in diesem angeordnet und/oder mit diesem drehfest verbunden ist. Auf diese Weise kann die Steifigkeit des Durchleitelements und die Lagesicherheit des auf dem Durchleitelement angeordneten Pumpenlaufrads erhöht werden.
In diesem Zusammenhang liegt eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung darin, dass zwischen der wenigsten einen Durchlassöffnung und dem zweiten Endabschnitt ein Wandelement innerhalb des Durchleitelements angeordnet und/oder ausgebildet ist. Der durch das Pumpenlaufrad erzeugbare Unterdruck kann somit über das Wandelement derart in dem Durchleitelement konzentriert werden, dass über die Einlassöffnung das Kühlmedium angesaugt wird.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass das Pumpenelement und/oder das Pumpenlaufrad an einer beliebigen Stelle in Achsrichtung des Rotors innerhalb des Wellenhohlraums angeordnet ist. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Pumpenelement und/oder das Pumpenlaufrad in axialer Richtung des Wellenhohlraums mittig im Wellenhohlraum angeordnet ist. Für gewöhnlich staut sich die Wärme des auf dem Blechpaketträger angeordneten Blechpakets in Folge des magnetischen Felds zwischen dem Rotor und dem Stator und einer Rotation des Rotors relativ zum Stator in der Mitte des wenigstens einen Blechpakets, während in den Randbereichen die Wärme schneller abfließen oder einfacher gekühlt werden kann. Die Austrittsöffnung des Pumpenelements ist in radialer Richtung in Richtung des Hotspots der Blechpakete ausgerichtet, so dass über das Pumpenelement der Blechpaketträger und somit das auf dem Blechpaketträger angeordnete Blechpaket wirksam gekühlt werden kann.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass der erste Stirnflansch auf einer dem Wellenhohlraum abgewandten Seite einen ersten Wellenzapfen und/oder der zweite Stirnflansch auf einer dem Wellenhohlraum abgewandten Seite einen zweiten Wellenzapfen aufweist. Die jeweiligen Wellenzapfen sind in Achsrichtung des Wellenhohlraums ausgerichtet und dienen einer Lagerung der Rotorhohlwelle in einem Wellenlager. In diesem Zusammenhang sieht eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Einlassöffnung durch den ersten Wellenzapfen geführt ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Stirnflansch und/oder der zweite Stirnflansch wenigstens eine Ausnehmung aufweist, die derart angeordnet und ausgebildet ist, dass ein an der inneren Mantelfläche des zylinderförmigen Blechpaketträgers verlaufendes Kühlmedium über die Ausnehmung aus dem Wellenhohlraum austreten kann. Auf diese Weise kann das Kühlmedium vorzugsweise gegen eine Wicklung des den Rotor und/oder die Rotorhohlwelle umgebenden Stators befördert und/oder gespritzt werden, um die Wicklung, insbesondere die Wicklungsköpfe, des Stators zumindest teilweise zu kühlen.
In diesem Zusammenhang liegt eine vorteilhafte Weiterbildung darin, dass die wenigstens eine Ausnehmung an einer äußeren Umfangsfläche des ersten Stirnflanschs und/oder des zweiten Stirnflanschs angeordnet und/oder ausgebildet ist. Die Ausnehmung ist somit eine Vertiefung, die sich ausgehend vom äußeren Umfang in radialer Richtung nach innen erstreckt. Vorzugsweise sind mehrere in Umfangsrichtung zueinander beabstandet angeordnete Ausnehmungen vorgesehen.
Grundsätzlich kann es ausreichen, dass die wenigstens eine Ausnehmung in dem ersten Stirnflansch und/oder dem zweiten Stirnflansch angeordnet und/oder ausgebildet ist. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der zylinderförmig ausgebildete Blechpaketträger auf einem dem ersten Stirnflansch zugewandten ersten Endbereich und/oder auf einem dem zweiten Stirnflansch zugewandten zweiten Endbereich wenigstens eine in radialer Richtung ausgebildete Öffnung aufweist, so dass ein an der inneren Mantelfläche des zylinderförmig ausgebildeten Blechpaketträgers verlaufendes Kühlmedium über die Öffnung aus dem Wellenhohlraum austreten kann. Auf diese Weise wird eine alternative Möglichkeit bereitgestellt, dass Kühlmedium aus dem Wellenhohlraum über die Öffnung in Richtung der Wicklungen eines den Rotor umgebenden Stators zu befördern. Auf diese Weise können die Wicklungen des Stators effizient gekühlt werden.
Die Erfindung betrifft zudem einen Rotor, aufweisend die mit wenigstens einem Blechpakete bestückte erfindungsgemäße Rotorhohlwelle.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, mit dem erfindungsgemäßen Rotor.
Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung der erfindungsgemäßen Rotorhohlwelle zum Kühlen eines Stators und/oder eines Rotors einer elektrischen Maschine.
Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Maschine, aufweisend den erfindungsgemäßen Rotor, umfassend die Schritte:

- Ansaugen eines Kühlmediums über das innerhalb des Wellenhohlraums angeordnete Pumpenelement;
- Beförderung des von dem Pumpenelement angesaugten Kühlmediums über die Austrittsöffnung des Pumpenelements an die innere Mantelfläche des Blechpaketträgers, wobei das Kühlmedium gegen die innere Mantelfläche des Blechpaketträgers prallt.

Es ist somit ein wesentlicher Aspekt der Erfindung, dass das Kühlmedium über das innerhalb des Wellenhohlraums angeordnete Pumpenelement angesaugt wird. Auf diese Weise ist keine Pumpe außerhalb des Rotors erforderlich, die das Kühlmedium aktiv in den Wellenhohlraum pumpt. Somit kann der Bauraum der elektrischen Maschine reduziert werden.
Das Pumpenelement befördert das angesaugte Kühlmedium über eine Austrittsöffnung des Pumpenelements und/oder über die Laufradschauffeln des Pumpenlaufrads radial nach außen gegen die innere Mantelfläche des Blechpaketträgers. Das Kühlmedium prallt gegen die innere Mantelfläche, wodurch der Blechpaketträger und ein auf dem Blechpaketträger angeordnetes Blechpaket durch eine Prallkühlung gekühlt werden können.
Abschließend sieht eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung vor, dass das gegen die innere Mantelfläche beförderte Kühlmedium über wenigstens eine in dem ersten Stirnflansch und/oder dem zweiten Stirnflansch angeordnete Ausnehmung aus dem Wellenhohlraum entweicht und gegen Wicklungsköpfe eines den Rotor zumindest teilweise umgebenden Stators gespritzt wird. Auf diese Weise kann das Kühlmedium aus dem Wellenhohlraum derart abgeführt werden, dass es zudem die Wicklungsköpfe des Stators kühlt, wodurch eine effiziente Kühlung des Stators bewirkt werden kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den nachfolgenden Ausführungsbeispielen. Die Ausführungsbeispiele sind nicht einschränkend, sondern vielmehr als beispielhaft zu verstehen, Sie sollen den Fachmann in die Lage versetzen, die Erfindung auszuführen. Der Anmelder behält sich vor, einzelne oder mehrere der in den Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale zum Gegenstand von Patentansprüchen zu machen oder solche Merkmale in bestehende Patentansprüche aufzunehmen. Die Ausführungsbeispiele werden anhand von Figuren näher erläutert.
In diesen zeigen:

1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Rotor mit einer Rotorhohlwelle, die ein integriertes Pumpenelement aufweist,
2 eine schematische Schnittdarstellung durch den Rotor, wobei das Pumpenelement als Kreiselpumpe mit einem Pumpenlaufrad ausgebildet ist,
3a einen Längsschnitt durch das Pumpenlaufrad,
3b eine Ansicht des Pumpenlaufrads,
3c einen Querschnitt durch das Pumpenlaufrad,
4 einen Längsschnitt durch den Rotor,
5a eine Ansicht der Rotorhohlwelle,
5b eine Ansicht des Durchleitelements mit dem ersten Stirnflansch und dem zweiten Stirnflansch,
6 einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine.

In 1 ist eine Schnittdarstellung eines Rotors 10 gezeigt, der eine Rotorhohlwelle 12 mit einem integrierten Pumpenelement 14 umfasst. Die Rotorhohlwelle 12 weist einen zylinderförmig ausgebildeten Blechpaketträger 16 auf, der beidseitig an den zueinander in axialer Richtung beabstandeten Endbereichen 18, 20 jeweils mit einem Stirnflansch 22, 24 abgeschlossen ist, so dass durch den zylinderförmig ausgebildeten Blechpaketträger 16 ein Wellenhohlraum 26 ausgebildet wird. Auf den Blechpaketträger 16 ist in Längsrichtung des zylinderförmig ausgebildeten Blechpaketträgers 16 wenigstens ein Blechpaket 28 angeordnet, um den Rotor 10 auszubilden.
Innerhalb des ersten Stirnflanschs 22 ist eine Einlassöffnung 30 ausgebildet, über die ein Kühlmedium 32 dem Wellenhohlraum 26 zuführbar ist.
Innerhalb des Wellenhohlraums 26 ist das Pumpenelement 14 angeordnet, wobei das Pumpenelement 14 mit der Einlassöffnung 30 fluidtechnisch verbunden ist. Das Pumpenelement 14 ist derart angeordnet und ausgebildet, dass das Pumpenelement 14 das Kühlmedium 32 über die Einlassöffnung 30 ansaugt und gegen eine innere Mantelfläche 34 des zylinderförmig ausgebildeten Blechpaketträgers 16 befördert.
Auf diese Weise wird über das innerhalb des Wellenhohlraums 26 angeordnete Pumpenelement 14 das Kühlmedium 32 in den Wellenhohlraum 26 angesaugt, so dass keine außerhalb des Rotors 10 angeordnete und/oder ausgebildete Pumpeneinrichtung zur aktiven Beförderung des Kühlmediums 32 in den Wellenhohlraum 26 erforderlich ist. Auf diese Weise kann der Bauraum einer den Rotor 10 aufweisenden elektrischen Maschine durch die Ausbildung der Rotorhohlwelle 12 mit dem integrierten Pumpenelement 14 reduziert werden.
Das über das Pumpenelement 14 beförderte Kühlmedium 32 prallt gegen die innere Mantelfläche 34 des Blechpaketträgers 16, wobei das Kühlmedium 32 im Wesentlichen senkrecht auf die innere Mantelfläche 34 trifft und einen sogenannten „wall-jet“ erzeugt. Dies bedeutet, dass der Fluidstrom des Kühlmediums 32 vom Aufprallort in radialer Richtung und/oder in radialer Weise über die innere Mantelfläche 34 geführt wird. Um das Zentrum des Aufprallortes lassen sich sehr hohe Wärmeübertragungsraten erzielen, die mit zunehmenden radialen Abstand vom Zentrum des Aufprallortes abnehmen.
Auf dies Weise kann das Kühlmedium 32 vorzugsweise auf Stellen innerhalb des Blechpaketträgers 16 gerichtet werden, die sich besonders schnell erwärmen oder bei denen sich eine Erwärmung staut. Auf diese Weise kann über das Pumpenelement 14 innerhalb des Wellenhohlraums 26 eine gleichmäßige Kühlung des Rotors 10 ermöglicht werden, um Kontaktspannungen der Rotorlagerung aufgrund eines zu großen Temperaturgradienten zwischen einem inneren Lagerring und einem äußeren Lagerung zu reduzieren.
Aufgrund der Zentrifugalkraft des um die Rotorachse 36 der Rotorhohlwelle 12 rotierenden Rotors 10 wird das Kühlmedium 32 an die innere Mantelfläche 34 gepresst und in Richtung der Endbereiche 18, 20 des Blechpaketträgers 16 geführt. In dem auf den Endbereichen 18, 20 angeordneten ersten Stirnflansch 22 und dem zweiten Stirnflansch 24 sind an einer Umfangsfläche der jeweiligen Stirnflansche Ausnehmungen 38 angeordnet. Auf diese Weise kann das Kühlmedium 32 über die Ausnehmungen 38 aus dem Wellenhohlraum 26 austreten und vorzugsweise gegen Wicklungen eines den Rotor 10 umgebenden Stators (nicht dargestellt) prallen, um diese zu kühlen.
Das aus dem Wellenhohlraum 26 über die Ausnehmungen 38 austretende Kühlmedium 32 wird einem Kühlkreislauf 40 zugeführt, um dies erneut dem Pumpenelement 14 zuführen zu können bzw. damit dies erneut über das Pumpenelement 14 ansaugbar ist.
In 2 ist der aus 1 bekannte Rotor 10 gezeigt, wobei das Pumpenelement 14 als selbstansaugende Kreiselpumpe ausgebildet ist. Das Pumpenelement 14 weist ein Durchleitelement 42 auf, das einen ersten Endabschnitt 44 und einen zum ersten Endabschnitt 44 in axialer Richtung beabstandet angeordneten zweiten Endabschnitt 46 aufweist. Der erste Endabschnitt 44 ist mit der Einlassöffnung 30 fluidtechnisch verbunden, so dass das Kühlmedium 32 über die Einlassöffnung 30 und den ersten Endabschnitt 44 in das Durchleitelement 42 einführbar ist. Der zweite Endabschnitt 46 ist geschlossen. Zwischen dem ersten Endabschnitt 44 und dem zweiten Endabschnitt 46 ist wenigstens eine Durchlassöffnung 48 ausgebildet ist, und auf dem Durchleitelement 42 ist im Bereich der Durchlassöffnung 48 ein Pumpenlaufrad 50 angeordnet.
Auf diese Weise wird die Ausbildung einer Kreiselpumpe angegeben, die innerhalb des Wellenhohlraums 26 angeordnet ist und mit dem ersten Stirnflansch 22 drehfest verbunden und/oder in diesem eingespannt ist. Grundsätzlich kann es ausreichen, dass das Durchleitelement 42 nur eine Durchlassöffnung 48 aufweist. Für gewöhnlich ist vorgesehen, dass das Durchleitelement 42 eine Mehrzahl von Durchlassöffnungen 48 aufweist, die in Umfangsrichtung zueinander beabstandet angeordnet sind.
Durch eine Rotation des Rotors 10 wird das mit dem ersten Stirnflansch 22 drehfest verbundene Durchleitelement 42 und somit auch das auf dem Durchleitelement 42 angeordnete Pumpenlaufrad 50 in Rotation versetzt, wodurch das Pumpenlaufrad 50 einen Unterdruck und/oder eine Sogwirkung erzeugt und somit das Kühlmedium 32 über die im Durchleitelement 42 angeordnete Durchlassöffnung 48 und die Einlassöffnung 30 ansaugt. Über die Zentrifugalkraft wird das Kühlmedium 32 an den äußeren Rand des Pumpenlaufrads gepresst und entweicht über die Austrittsöffnung 52.
In den 3a, 3b und 3c ist das als Kreiselpumpe ausgebildete Pumpenelement 14 im Detail dargestellt. Nachstehend wird auf die 3a, 3b und 3c gleichzeitig Bezug genommen. Das Pumpenlaufrad 50 weist zwei zueinander beabstandet angeordnete Laufradscheiben 54 und eine Mehrzahl von zwischen den Laufradscheiben 54 angeordneten Laufradschauffeln 56 auf, wobei die Laufradscheiben 54 drehfest auf dem Durchleitelement 42 angeordnet sind. Die Laufradschauffeln 56 weisen einen in Umfangsrichtung leicht gekrümmten bzw. bogenförmigen Verlauf auf.
Die Austrittsöffnungen 52 des Pumpenelements 14 sind am äußeren Rand des Pumpenlaufrads 50 zwischen den jeweiligen Laufradschauffeln 56 und den Laufradscheiben 54 ausgebildet.
4 zeigt den aus 2 bekannten Rotor 10. Im Unterschied zu dem in 2 gezeigten Rotor 10 ist in 4 das Durchleitelement 42 mit dem zweiten Endabschnitt 46 bis zum zweiten Stirnflansch 24 geführt und in diesem gelagert bzw. mit diesem drehfest verbunden. Auf diese Weise kann die Steifigkeit des Durchleitelements 42 und die Lagesicherheit des auf dem Durchleitelement 42 angeordneten Pumpenlaufrads 50 erhöht werden.
Zwischen der wenigsten einen Durchlassöffnung 48 und dem zweiten Endabschnitt 46 ist ein Wandelement 58 innerhalb des Durchleitelements 42 angeordnet. Der durch das Pumpenlaufrad 50 erzeugbare Unterdruck kann somit über das Wandelement 58 derart innerhalb des Durchleitelements 42 konzentriert werden, dass über die Einlassöffnung 30 das Kühlmedium 32 ansaugbar ist.
Das Pumpenelement 14 bzw. das Pumpenlaufrad 50 ist in axialer Richtung des Wellenhohlraums 26 mittig im Wellenhohlraum 26 angeordnet. Für gewöhnlich staut sich die Wärme in dem auf dem Blechpaketträger 16 angeordneten Blechpaket 28 in Folge einer Rotation des Rotors 10 relativ zum Stator (nicht dargestellt) in der Mitte des Blechpakets, während in den Randbereichen des Blechpakets 28 die Wärme schneller abfließen oder einfacher gekühlt werden kann. Das Pumpenlaufrad 50 bzw. die Austrittsöffnungen 52 des Pumpenlaufrads 50 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel in radialer Richtung in Richtung des Hotspots des Blechpakets 28 ausgerichtet, so dass über das Pumpenelement 14 der Blechpaketträger 16 und somit das auf dem Blechpaketträger 16 angeordnete Blechpaket 28 wirksam gekühlt werden kann.
Der erste Stirnflansch 22 weist auf einer dem Wellenhohlraum 26 abgewandten Seite einen ersten Wellenzapfen 60 und/oder der zweite Stirnflansch 24 weist auf einer dem Wellenhohlraum 26 abgewandten Seite einen zweiten Wellenzapfen 62 auf. Der erste Wellenzapfen 60 und der zweite Wellenzapfen 62 sind jeweils in Achsrichtung des Wellenhohlraums 26 ausgerichtet und dienen einer Lagerung der Rotorhohlwelle 12 in einem Wellenlager. Die Einlassöffnung 30 ist durch den ersten Wellenzapfen 60 geführt.
In 5a ist eine Ansicht der Rotorhohlwelle 12 gezeigt und die 5b veranschaulicht eine Ansicht des Durchleitelements 42 mit den Stirnflanschen 22, 24. Nachfolgend wird auf die 5a und 5b gleichzeitig Bezug genommen. Der erste Stirnflansch 22 und der zweite Stirnflansch 24 weisen jeweils an einer äußeren Umfangsfläche mehrere in Umfangsrichtung zueinander beabstandet angeordnete Ausnehmung 38 auf. Die Ausnehmungen 38 bewirken, dass an den Endbereichen 18, 20 des Blechpaketträgers 16 zwischen der inneren Mantelfläche 34 und den Stirnflanschen 22, 24 im Bereich der Ausnehmungen 38 ein Spalt ausgebildet wird, über den das an die innere Mantelfläche 34 beförderte Kühlmedium 32 aus dem Wellenhohlraum 26 austreten kann. Auf diese Weise kann das Kühlmedium 32 vorzugsweise gegen eine Wicklung des den Rotor 10 umgebenden Stators (nicht dargestellt) befördert und/oder gespritzt werden, um die Wicklungen des Stators zumindest teilweise zu kühlen.
6 zeigt eine elektrische Maschine 64, die in einem Gehäuse 66 ein Getriebe 68 und einen Elektromotor 70 aufweist, wobei der Elektromotor 70 den Rotor 10 und einen den Rotor 10 zumindest abschnittsweise umgebenden Stator 72 umfasst. Der Rotor 10 ist über Wellenlager 74, die an den ersten Wellenzapfen 60 und den zweiten Wellenzapfen 62 angreifen, im den Gehäuse 66 relativ zum Stator 72 um die Rotorachse 36 rotierbar gelagert. Der zweite Wellenzapfen 62 ist mit einer Getriebeeingangswelle 76 gekoppelt, so dass eine Drehbewegung des Rotors 10 auf das Getriebe 68 übertragbar ist.
Infolge einer Rotation des Rotors 10 wird das Kühlmedium 32, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Getriebeöl ist, über die in dem ersten Wellenzapfen 60 und dem ersten Stirnflansch 22 angeordnete Einlassöffnung 30 von dem in dem Wellenhohlraum 26 angeordneten selbstansaugenden Pumpenelement 14, die als Kreiselpumpe ausgebildet ist, angesaugt und über die Austrittsöffnung 52 des Pumpenelements 14 und/oder über die Laufradschauffeln 56 des Pumpenlaufrads 50 radial nach außen gegen die innere Mantelfläche 34 des Blechpaketträgers 16 befördert. Das Kühlmedium 32 prallt gegen die innere Mantelfläche 34, wodurch der Blechpaketträger 16 und das auf dem Blechpaketträger 16 angeordnete Blechpaket 28 durch eine Prallkühlung gekühlt werden.
Das auf die innere Mantelfläche 34 beförderte Kühlmedium 32 entweicht aus dem Wellenhohlraum 26 über die in dem ersten Stirnflansch 22 und dem zweiten Stirnflansch 24 angeordneten Ausnehmungen 38. Infolge der Zentrifugalkraft des rotierenden Rotors 10 wird das Kühlmedium 32 derart aus den Ausnehmungen 38 herausgeschleudert, dass es auf die Wicklungsköpfe 78 des Stators 72 trifft, wodurch diese ebenfalls gekühlt werden. Anschließend wird das Kühlmedium 32 einem Umlaufkühlkreis zugeführt, so dass es zur erneuten Kühlung verwendet werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Rotor
12: Rotorhohlwelle
14: Pumpenelement
16: Blechpaketträger
18: Erster Endbereich
20: Zweiter Endbereich
22: Erster Stirnflansch
24: Zweier Stirnflansch
26: Wellenhohlraum
28: Blechpaket
30: Einlassöffnung
32: Kühlmedium
34: Innere Mantelfläche
36: Achse
38: Ausnehmung
40: Kühlkreislauf
42: Durchleitelement
44: Erster Endabschnitt
46: Zweiter Endabschnitt
48: Durchlassöffnung
50: Pumpenlaufrad
52: Austrittsöffnung
54: Laufradscheibe
56: Laufradschauffel
58: Wandelement
60: Erster Wellenzapfen
62: Zweiter Wellenzapfen
64: Elektrische Maschine
66: Gehäuse
68: Getriebe
70: Motor
72: Stator
74: Wellenlager
76: Getriebeeingangswelle
78: Wicklungskopf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014107845 A1 [0004]

Claims

Rotorhohlwelle (12) für einen Rotor (10) einer elektrischen Maschine (64), umfassend - einen beidseitig von einem ersten Stirnflansch (22) und einem zweiten Stirnflansch (24) abgeschlossenen zylinderförmig ausgebildeten Blechpaketträger (16), der einen Wellenhohlraum (26) umgibt, wobei in dem ersten Stirnflansch (22) eine Einlassöffnung (30) ausgebildet ist, und - ein innerhalb des Wellenhohlraums (26) angeordnetes Pumpenelement (14), das mit der Einlassöffnung (30) fluidtechnisch verbunden ist und derart angeordnet und ausgebildet ist, dass über das Pumpenelement (14) ein Kühlmedium (32) über die Einlassöffnung (30) ansaugbar und über eine Austrittsöffnung (52) des Pumpenelements (14) gegen eine innere Mantelfläche (34) des zylinderförmig ausgebildeten Blechpaketträgers (16) beförderbar ist.
Rotorhohlwelle (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenelement (14) ein selbstansaugendes Pumpenelement, insbesondere eine Kreiselpumpe, ist.
Rotorhohlwelle (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenelement (14) - ein Durchleitelement (42) aufweist, das einen ersten Endabschnitt (44) und einen zum ersten Endabschnitt (44) in axialer Richtung beabstandet angeordneten zweiten Endabschnitt (46) aufweist, - der erste Endabschnitt (44) mit der Einlassöffnung (30) fluidtechnisch verbunden ist, und - der zweite Endabschnitt (46) verschlossen ist, wobei - zwischen dem ersten Endabschnitt (44) und dem zweiten Endabschnitt (46) wenigstens eine Durchlassöffnung (48) ausgebildet ist, und - auf dem Durchleitelement (42) im Bereich der Durchlassöffnung (48) ein Pumpenlaufrad (50) angeordnet ist.
Rotorhohlwelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Endabschnitt (46) des Durchleitelements (42) bis zum zweiten Stirnflansch (24) geführt und in diesem gelagert und/oder mit diesem drehfest verbunden ist.
Rotorhohlwelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenlaufrad (50) wenigstens zwei zueinander beabstandet angeordnete Laufradscheiben (54) und eine Mehrzahl von zwischen den Laufradscheiben (54) angeordneten Laufradschauffeln (56) aufweist, wobei die Laufradscheiben (54) drehfest auf dem Durchleitelement (42) angeordnet sind.
Rotorhohlwelle nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stirnflansch (22) auf einer dem Wellenhohlraum (26) abgewandten Seite einen ersten Wellenzapfen (60) und/oder der zweite Stirnflansch (24) auf einer dem Wellenhohlraum (26) abgewandten Seite einen zweiten Wellenzapfen (62) aufweist.
Rotorhohlwelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (30) durch den ersten Wellenzapfen (60) geführt ist.
Rotorhohlwelle nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stirnflansch (22) und/oder der zweite Stirnflansch (24) wenigstens eine Ausnehmung (38) aufweist, die derart angeordnet und ausgebildet ist, dass ein an der inneren Mantelfläche (34) des zylinderförmigen Blechpaketträgers (16) verlaufendes Kühlmedium (32) über die Ausnehmung (38) aus dem Wellenhohlraum (26) austreten kann.
Rotorhohlwelle nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zylinderförmig ausgebildete Blechpaketträger (16) auf einem dem ersten Stirnflansch (22) zugewandten ersten Endbereich (18) und/oder auf einem dem zweiten Stirnflansch (24) zugewandten zweiten Endbereich (20) wenigstens eine in radialer Richtung ausgebildete Öffnung aufweist, so dass ein an der inneren Mantelfläche (34) des zylinderförmig ausgebildeten Blechpaketträgers (16) verlaufendes Kühlmedium (32) über die Öffnung aus dem Wellenhohlraum (26) austreten kann.
Rotor (10), aufweisend eine mit wenigstens einem Blechpaket (28) bestückte Rotorhohlwelle (12) nach einem der vorherigen Ansprüche.
Elektrische Maschine (64), insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, aufweisend einen Rotor (10) nach Anspruch (10).
Verfahren zum Kühlen einer elektrischen Maschine (64), aufweisend einen Rotor (10) nach Anspruch 10, umfassend die Schritte: - Ansaugen eines Kühlmediums (32) über das innerhalb des Wellenhohlraums (26) angeordnete Pumpenelement (14); - Beförderung des von dem Pumpenelement (14) angesaugten Kühlmediums (32) über die Austrittsöffnung (52) des Pumpenelements (14) an die innere Mantelfläche (34) des Blechpaketträgers (16), wobei das Kühlmedium (32) gegen die innere Mantelfläche (34) des Blechpaketträgers (16) prallt.