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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung der Rotorhohlwelle eines Elektromotors, insbesondere in Kraftfahrzeugen.
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Beim Betrieb eines Elektromotors erwärmt sich dessen Rotorwelle. Um Schäden am Elektromotor zu vermeiden und um für gleichbleibende Betriebsparameter zu sorgen, muss die Rotorwelle gekühlt werden. Verfahren zur Kühlung von Rotorwellen in Elektromotoren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Üblicherweise werden die Rotorwellen mit Hilfe einer Kühlflüssigkeit gekühlt. Diese wird zum Beispiel mittels Pumpen durch Rohre an die Rotorwelle geführt.
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Aus dem Stand der Technik sind Methoden zum Kühlen von Wellen bekannt. Die Druckschriften
JP 2015 091 198 A und
US 2004/0154846 A1 offenbaren jeweils eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines Motors. Aus der Druckschrift
JP 2012 163 120 A ist bekannt, einen Motor zu kühlen, indem diesem Öl vom Getriebe über eine rotierende Welle zugeführt wird. Die Druckschrift
US 2005/0139401 A1 offenbart ein Kraftfahrzeug mit einem Motor, einem Getriebe und einem Isolationsmittel, welches Motor und Getriebe trennen kann für den Fall, dass die Motorkraft nicht gebraucht wird. Getriebe und Motor sind als mit Öl gekühlt offenbart. Zum Stand der Technik gehört weiterhin die Druckschrift
JP 2006 300 101 A , welche eine rotierende Vorrichtung einer elektrischen Maschine offenbart, an deren konisch geformter Innenseite durch eine Zentrifugalkraft angetriebenes Öl entlang strömt.
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DE 10 2011 076 527 A1 offenbart eine Rotorwelle, eine Getriebewelle und ein Gehäuse, wobei zwischen der Rotorwelle und der Getriebewelle sowie zwischen dem Gehäuse und der Getriebewelle jeweils ein Ölübergaberohr angeordnet ist.
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Als für die Kühlung vorteilhaft hat sich die Verwendung von Rotorwellen in Form von Hohlwellen erwiesen.
DE 10 2015 214 309 A1 offenbart eine als Hohlwelle ausgeführte Rotorwelle und eine als Hohlwelle ausgeführte Getriebewelle , wobei ein rohrartiges Kühlflüssigkeitsleitelement vorgesehen ist, welches durch die Rotorwelle und die Getriebewelle verläuft, wobei eine Kühlflüssigkeit durch einen feststehenden Rohrstutzen in das Kühlflüssigkeitsleitelement eingeleitet wird.
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Nachteilig am Stand der Technik ist, dass die Kühlflüssigkeit mit hohem Druck bereitgestellt werden muss und dass zwischen stehenden und rotierenden Kühlflüssigkeitsleitungen Verlustleistung erzeugende Dichtungen angebracht werden müssen.
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Kühlung der Rotorhohlwelle eines Elektromotors, insbesondere in Kraftfahrzeugen, zur Verfügung zu stellen, welche mit, im Vergleich zum Stand der Technik, geringen Druckniveaus zur Bereitstellung der Kühlflüssigkeit, sowie ohne Verlustleistung erzeugende Dichtungen zwischen stehenden und rotierenden Kühlflüssigkeitsleitungen auskommt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Kühlung einer Rotorhohlwelle eines Elektromotors, aufweisend eine Getriebehohlwelle, eine Rotorhohlwelle und eine Düse, wobei ein erstes Rohr im Inneren der Getriebehohlwelle drehfest mit dieser verbunden ist, wobei das erste Rohr entlang der Rotationsachse der Getriebehohlwelle verläuft, wobei die Rotorhohlwelle drehfest mit der Getriebehohlwelle verbunden ist, wobei die Rotorhohlwelle ein zweites Rohr im Inneren entlang ihrer Rotationsachse aufweist, wobei das zweite Rohr drehfest mit der Rotorhohlwelle verbunden ist, wobei das zweite Rohr eine oder mehrere radiale Bohrungen aufweist, wobei die Rotorhohlwelle entlang ihrer Rotationsachse eine Bohrung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Rohr zumindest teilweise konisch geformt ist.
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Die Vorrichtung ermöglicht es, die Rotorhohlwelle eines Elektromotors mit einer Kühlflüssigkeit zu kühlen, ohne dass eine Abdichtung zwischen stehenden und rotierenden Teilen des Kühlflüssigkeitskreislaufs vorgesehen sein muss. Dazu befindet sich eine Düse vor der Mündung eines ersten Rohrs, welches in der Getriebehohlwelle entlang ihrer Rotationsachse steckt, wobei das Rohr bevorzugt aus Aluminium oder aus Kunststoff gefertigt ist. Durch die Düse kann ein Kühlflüssigkeitsstrahl, bevorzugt ein Ölstrahl, durch die Rohrmündung in das erste Rohr eingespritzt werden. Das in der Getriebehohlwelle steckende erste Rohr ist drehfest mit der Getriebehohlwelle verbunden. Düse und Rohrmündung bilden den Übergang zwischen dem stehenden Teil des Kühlflüssigkeitskreislaufs (in Fließrichtung der Kühlflüssigkeit bis einschließlich zur Düse) und dem rotierenden Teil eines Kühlflüssigkeitskreislaufs (in Fließrichtung der Kühlflüssigkeit ab einschließlich der Rohrmündung). Dadurch wird in vorteilhafter Weise auf eine Abdichtung, beispielsweise in Form einer Gummidichtung, eines O-Rings oder einer Metalldichtung, zwischen stehenden und rotierenden Kühlflüssigkeitsleitungen verzichtet, wodurch weniger Verlustleistung erzeugt wird.
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Rotorseitig schließt sich an das in der Getriebehohlwelle steckende erste Rohr eine Bohrung im Inneren der Rotorhohlwelle, welche in der Rotorhohlwelle entlang der Rotationsachse platziert ist, an. Der Bohrung schließt sich ein zumindest teilweise konisches zweites Rohr an, welches in der Rotorhohlwelle entlang der Rotationsachse der Rotorhohlwelle angeordnet und drehfest mit dieser verbunden ist. Konisch bedeutet hier, dass der Durchmesser des zweiten Rohrs mit wachsendem Abstand zur Bohrung im Inneren der Rotorhohlwelle größer wird. Das zweite Rohr ist bevorzugt aus einem Metall oder einem Kunststoff, besonders bevorzugt aus Aluminium oder einem Kunststoff gefertigt. Das zweite Rohr ist bevorzugt über seine ganze Länge konisch geformt. Der Durchmesser des zweiten Rohrs wird mit wachsendem Abstand zur Bohrung im Inneren der Rotorhohlwelle größer. Die Bohrung im Inneren der Rotorhohlwelle und das zweite Rohr bilden gemeinsam eine zumindest teilweise konische Kühlflüssigkeitsleitung. Der Übergang zwischen der Bohrung im Inneren der Rotorhohlwelle und zweitem Rohr ist vorzugsweise so gestaltet, dass dort keine Stufe an der Innenwand der zumindest teilweise konischen Kühlflüssigkeitsleitung entsteht. Am breiten Ende der zumindest teilweise konischen Kühlflüssigkeitsleitung sind eine oder mehrere radiale Bohrungen angebracht, welche den Innenraum des zweiten Rohrs zur Innenwand der Rotorhohlwelle hin öffnen. Das breite Ende des zweiten Rohrs in der Rotorhohlwelle wird vorzugsweise von einem Deckel abgeschlossen. In der Rotorhohlwelle befinden sich ferner eine oder mehrere Bohrungen, welche das Innere der Rotorhohlwelle zum stehenden Teil des Kühlmittelkreislaufs, bevorzugt dem Getriebebereich, hin öffnen. Damit wird in besonders vorteilhafter Weise ermöglicht, dass der Kühlflüssigkeitstransport durch den rotierenden Teil des Kühlflüssigkeitskreislaufs durch die auf die Kühlflüssigkeit wirkende Zentrifugalkraft bewirkt wird. Dadurch ist es möglich, die Rotorhohlwelle mit einem Bereitstellungsdruck des Kühlmittels von weniger als 1,5 bar, bevorzugt weniger als 1,2 bar, besonders bevorzugt weniger als 1,0 bar, zu kühlen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Bohrung im Inneren der Rotorhohlwelle zumindest teilweise konisch geformt. Konisch geformt bedeutet hier, dass sich der Radius der Bohrung im Inneren der Rotorhohlwelle in Richtung von der Düse weg vergrößert. Dies verlängert in vorteilhafter Weise die Strecke der zumindest teilweise konischen Kühlflüssigkeitsleitung, auf der die Kühlflüssigkeit aufgrund der auf sie wirkenden Zentrifugalkraft durch die zumindest teilweise konische Kühlflüssigkeitsleitung transportiert wird, und beschleunigt den Transport der Kühlflüssigkeit in Richtung der radialen Bohrungen. Es ist denkbar, dass die Bohrung im Inneren der Rotorhohlwelle über ihre ganze Länge konisch geformt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließt das zweite Rohr zur Bohrung im Inneren der Rotorhohlwelle dicht ab. Das zweite Rohr ist bevorzugt kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit der Bohrung im Inneren der Rotorhohlwelle verbunden. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass keine Dichtung zwischen dem zweiten Rohr und der Bohrung im Inneren der Rotorhohlwelle verbaut werden muss. Denkbar ist aber auch, dass die Abdichtung durch einen O-Ring oder eine andere Dichtung erfolgt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Düse starr verbaut. Damit wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der mit der Düse verbundene Teil des Kühlflüssigkeitskreislaufs stabil gelagert werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die der Düse zugewandte Mündung des ersten Rohres trichterförmig ausgebildet ist. Diese Ausformung des ersten Rohres ermöglicht in vorteilhafter Weise eine gute Aufnahme der eingespritzten Kühlflüssigkeit auch bei kleineren Ungenauigkeiten im Einspritzverhalten der Düse.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ragt die Düse in die der Düse zugewandte Mündung des ersten Rohres hinein. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Aufnahme der Kühlflüssigkeit auch bei schlecht eingestellter oder defekter Düse und verhindert somit Beschädigungen am Elektromotor durch Überhitzen der Rotorhohlwelle. Denkbar ist auch, dass die Düse in die Mündung der Rotorhohlwelle hineinragt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dichtet ein Deckel die der Getriebehohlwelle abgewandte Seite des zweiten Rohrs ab, wobei der Übergang zwischen dem zweiten Rohr und dem Deckel bevorzugt mit einem O-Ring abgedichtet ist. Die Abdichtung des zweiten Rohres und die zusätzliche Abdichtung des Verschlusses durch den O-Ring bedingen in vorteilhafter Weise, dass kein Kühlmittel verloren geht und so nicht mehr für die Kühlung zur Verfügung stehen würde.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung sind die Rotorhohlwelle und die Getriebehohlwelle über ein Verzahnungsteil drehfest miteinander verbunden. In Elektromotoren in Kraftfahrzeugen werden mitunter große Kräfte zwischen Rotor und Getriebe ausgetauscht. Die Verbindung von Rotorhohlwelle und Getriebehohlwelle über ein Verzahnungsteil ermöglicht die Übertragung großer Kräfte zwischen Rotorhohlwelle und Getriebehohlwelle in besonders vorteilhafter Weise, indem eine Verbindung über ein Verzahnungsteil mehr Fläche zur Aufnahme der Kraft senkrecht zur wirkenden Kraft zur Verfügung stellt als eine Verbindung ohne Verzahnungsteil. Dadurch wird ermöglicht, hohe Kräfte bei geringer Verformung und geringem Verschleiß der Bauteile zu übertragen.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäß Anspruch 9.
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Auf diese Weise wird ein Verfahren zur Kühlung der Rotorhohlwelle eines Elektromotors, insbesondere in Kraftfahrzeugen, zur Verfügung gestellt, welches sich gegenüber dem Stand der Technik durch ein sehr geringes Druckniveau (weniger als 1,5 bar, bevorzugt weniger als 1,2 bar, besonders bevorzugt weniger als 1,0 bar) für die Bereitstellung der Kühlflüssigkeit, sowie durch den Verzicht auf Verlustleistung erzeugende Dichtungen zwischen stehenden und rotierenden Kühlflüssigkeitsleitungen auszeichnet. Die Kühlflüssigkeit wird, bevorzugt aus dem Bereich des Getriebes kommend, durch eine Düse in ein erstes Rohr eingespritzt. Das erste Rohr befindet sich im Inneren der Getriebehohlwelle und ist mit dieser drehfest, das heißt dass bei Rotation der Getriebehohlwelle das erste Rohr mit der gleichen Geschwindigkeit mitrotiert, verbunden. Der Übergang zwischen Düse und erstem Rohr stellt also auch gleichzeitig den Übergang zwischen einem stehenden und einem rotierenden Teil eines Kühlflüssigkeitskreislaufs dar. Durch das Einspritzen sind keine abdichtenden Maßnahmen, wie beispielsweise das Verbauen von O-Ringen, zwischen Düse und erstem Rohr, also zwischen stehenden und rotierenden Kühlflüssigkeitsleitungen, notwendig. Das reduziert in vorteilhafter Weise Verlustleistungen beim Betrieb des Elektromotors.
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Im stehenden Teil des Kühlflüssigkeitskreislaufs, also in Kühlflüssigkeitsflußrichtung bis zur Düse, wird die Kühlflüssigkeit herabgekühlt und mit einem Bereitstellungsdruck von weniger als 1,5 bar, bevorzugt weniger als 1,2 bar, besonders bevorzugt weniger als 1,0 bar zur Verfügung gestellt. Der Transport der Kühlflüssigkeit durch den rotierenden Teil des Kühlflüssigkeitskreislaufs wird dadurch bewerkstelligt, dass sich die Kühlflüssigkeit nach dem Einspritzen in den rotierenden Teil an den Wänden der rotierenden Leitungen, also der Bohrung im Inneren der Rotorhohlwelle und des zweiten Rohrs im Inneren der Rotorhohlwelle, niederschlägt und wegen der Rotation der Leitungen eine Zentrifugalkraft erfährt. Diese lässt sich in einen Anteil senkrecht zur Innenwand der Leitung sowie einen Anteil parallel zur Innenwand der Leitung zerlegen, wobei letzterer den Kühlflüssigkeitstransport bewirkt. Der Durchmesser des zweiten Rohres wird im konischen Teil des zweiten Rohres mit wachsendem Abstand zur Düse größer. Damit ist die Richtung des Kühlflüssigkeitstransports von der Düse weg festgelegt. Ein derart funktionierender Kühlflüssigkeitstransport ist besonders vorteilhaft, da so der Druck für die Bereitstellung der Kühlflüssigkeit gering gehalten werden kann.
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Am Ende des zweiten Rohrs wird die Kühlflüssigkeit durch radiale Bohrungen auf die Innenseite der Rotorhohlwelle geschleudert, von welcher sie Wärme von der Rotorhohlwelle aufnimmt. Die Kühlflüssigkeit wird aus dem Inneren der Rotorhohlwelle durch äußere Bohrungen in der Rotorhohlwelle mit axialer Richtungskomponente abgeführt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Kühlflüssigkeit Öl verwendet. Öl besitzt, im Vergleich zu anderen Kühlflüssigkeiten, wie beispielsweise Wasser, einen hohen Siedepunkt. So kann die Kühlung bei relativ hohen Temperaturen der Rotorhohlwelle und damit auch der Kühlflüssigkeit erfolgen. Ferner ist die elektrisch isolierende Eigenschaft von Öl, im Vergleich zu anderen Kühlflüssigkeiten wie beispielsweise Wasser, hoch, was bei der Benutzung in Elektromotoren in vorteilhafter Weise die Gefahr von Kurzschlüssen oder Kriechströmen mindert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wird die Kühlflüssigkeit von einer Niederdruckpumpe eingespritzt. Dadurch, dass die Kühlflüssigkeit mit einer Niederdruckpumpe, bevorzugt mit einer Niederdruckpumpe des Getriebes der an den Elektromotor angeschlossenen elektrischen Maschine, eingespritzt wird, ergibt sich im Vergleich zum Einspritzen mit Hochdruckpumpen in vorteilhafter Weise weniger Materialverschleiß. Es können so langlebigere Kühlflüssigkeitsdruckpumpen verbaut werden. Ferner reduziert sich durch den Verzicht auf hohe Drücke in vorteilhafter Weise die Leistung, die für das Einspritzen aufgewendet und so nicht mehr für den Antrieb der elektrischen Maschine zur Verfügung stehen würde.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren gemäß Anspruch 12. Wird keine Kühlflüssigkeit eingespritzt, wobei die Rotorhohlwelle und Getriebehohlwelle aber rotieren, wird die sich im rotierenden Teil des Kühlflüssigkeitskreislaufs befindliche Kühlflüssigkeit durch die auf sie wirkende Zentrifugalkraft durch die konische Kühlflüssigkeitsleitung, durch die radialen Bohrungen im zweiten Rohr, an der Innenseite der Rotorhohlwelle entlang durch die außenliegenden Bohrungen in der Rotorhohlwelle mit axialer Richtungskomponente, vorzugsweise in den Getriebebereich, abgeführt. Dies kann ohne weitere Hilfsmittel wie beispielsweise Pumpen geschehen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Die Zeichnung illustriert dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den Erfindungsgedanken nicht einschränken.
- 1 illustriert schematisch den Aufbau der Kühlung der Rotorhohlwelle.
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In 1 ist der Aufbau der Kühlung 1 einer Rotorhohlwelle 6 schematisch dargestellt. Über eine feststehende Düse 2 wird eine Kühlflüssigkeit von einer Niederdruckpumpe im Bereich des Getriebes der E-Maschine in ein erstes Rohr 3 eingespritzt. Die Kühlflüssigkeit ist ein Öl. Das erste Rohr 3 ist aus Kunststoff oder Aluminium gefertigt und steckt in einer Getriebehohlwelle 4 entlang ihrer Rotationsachse 11. Das erste Rohr 3 ist drehfest mit der Getriebehohlwelle 4 verbunden. Drehfest bedeutet hier, dass, wenn sich die Getriebehohlwelle 4 dreht, sich auch das erste Rohr 3 mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Getriebehohlwelle 4 dreht. Damit stellt der Übergang zwischen der Düse 2 und dem ersten Rohr 3 im Inneren der Getriebehohlwelle 4 einen Übergang zwischen einem statischen Teil der Kühlflüssigkeitsleitungen und einem rotierenden Teil der Kühlflüssigkeitsleitungen dar. Durch das Einspritzen der Kühlflüssigkeit aus der Düse 2 (statischer Teil) in das erste Rohr 3 im Inneren der Getriebehohlwelle 4 (rotierender Teil) kann an diesem Übergang auf eine Abdichtung, welche Leistungseinbußen erzeugen würde, verzichtet werden. In negativer x-Richtung schließt sich dem ersten Rohr 3 eine konische Bohrung 5 entlang der Rotationsachse 11 der Rotorhohlwelle 6 an. Die konische Bohrung 5 in der Rotorhohlwelle 6 ist so geformt, dass sich ihr Durchmesser in negativer x-Richtung vergrößert. Die konische Bohrung 5 befindet sich im Bereich der Verbindung zwischen Getriebehohlwelle 4 und Rotorhohlwelle 6. Der konischen Bohrung 5 schließt sich in negativer x-Richtung ein konisches zweites Rohr 7 entlang der Rotationsachse 11 der Rotorhohlwelle 6 an. Das zweite Rohr 7 und die konische Bohrung 5 sind formschlüssig und kraftschlüssig miteinander verbunden. Der Durchmesser des zweiten Rohres 7 wird in negativer x-Richtung größer. Am Übergang zwischen konischer Bohrung 5 und zweitem Rohr 7 entspricht der Innendurchmesser des zweiten Rohres 7 dem Durchmesser der konischen Bohrung 5, so dass dort keine Stufe entsteht. Die konische Bohrung 5 und das zweite Rohr 7 bilden eine konische Kühlflüssigkeitsleitung. Die von der Düse 2 in das Rohr 3 im Inneren der Getriebehohlwelle 4 eingespritzte Kühlflüssigkeit gelangt vom Rohr 3 im Inneren der Getriebehohlwelle 4 in die konische Bohrung 5, wo sie sich an der Wand der konischen Bohrung 5 niederschlägt. Durch die Rotation der Rotorhohlwelle 6 erfährt die Kühlflüssigkeit eine Zentrifugalkraft in radialer Richtung, welche sich in eine Komponente entlang der Wand der konischen Bohrung 5 und eine Komponente senkrecht zur Wand der konischen Bohrung 5 aufteilen lässt. Somit erfährt die Kühlflüssigkeit eine Kraft in negativer x-Richtung, welche den Transport der Kühlflüssigkeit durch die konische Bohrung 5 in negativer x-Richtung bewirkt. Gleiches gilt für den Transport der Kühlflüssigkeit durch das zweite Rohr 7, welcher ebenfalls durch die auf die Kühlflüssigkeit wirkende Zentrifugalkraft verursacht wird. Am breiten Ende des zweiten Rohres 7 befinden sich radiale Bohrungen 8 im zweiten Rohr 7, welche das Innere des zweiten Rohres 7 zur Innenwand der Rotorhohlwelle 6 hin öffnen. Die Kühlflüssigkeit wird durch die auf sie wirkende Zentrifugalkraft durch die radialen Bohrungen 8 auf die Innenseite der Rotorhohlwelle 6 geschleudert, wo die Kühlflüssigkeit Wärme von der Rotorhohlwelle 6 aufnimmt. Das breite Ende des zweiten Rohrs 7 ist mit einem Deckel 10 abgeschlossen und mit einem O-Ring 9 abgedichtet, so dass kein Kühlmittel aus dem zweiten Rohr 7 in negativer x-Richtung laufen kann. Von der Innenseite der Rotorhohlwelle 6 läuft die Kühlflüssigkeit durch äußere Bohrungen 12 mit axialer Richtungskomponente in der Rotorhohlwelle 6 zurück in den statischen Bereich des Getriebes der E-Maschine. Der Transport der Kühlflüssigkeit durch den rotierenden Teil der Kühlflüssigkeitsleitungen geschieht durch die auf die Kühlflüssigkeit wirkende Zentrifugalkraft ohne Pumpen oder weitere Hilfsmittel.
