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Die Erfindung betrifft eine Rotorwelle für einen Elektromotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Rotorwellen für Elektromotoren können als Hohlwellen oder Vollwellen ausgeführt sein. Die während des Betriebs des Elektromotors entstehende Wärme muss abgeführt werden, um die thermischen Belastungen an den Bauteilen des Elektromotors zu reduzieren. Eine passive Kühlung erfolgt über thermisch leitenden Kontakt mit weiteren Konstruktionsteilen, wie beispielsweise der Wellenlagerung des Elektromotors. Eine aktive Kühlung mittels Luft oder Flüssigkeit ist ebenfalls möglich. Rotorwellen können als fluidführende Hohlwellen von innen mit einer Kühlflüssigkeit gekühlt werden.
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In der
DE 10 2016 202 416 A1 wird beschrieben, dass Rotorwellen von innen gekühlt werden, indem ein sogenannter Kühlkörper verdrehfest mit der als Hohlwelle ausgeführten Rotorwelle verbunden wird. Zusätzlich kann die Rotorwelle Innenstege besitzen, um die Oberfläche zu vergrößern und um die Kühlung zu verbessern. Ein zusätzlicher Kühlkörper kann Rippen und Durchgangsöffnungen z. B. in Schraubenform aufweisen um das Kühlfluid durch die Drehung der Rotorwelle in Axialrichtung zu fördern. Die Kühlrippen können endseitig verbreitert sein, sodass möglichst viel Wärme von der Hohlwelle auf den Kühlkörper und damit auf das Kühlfluid übertragen wird.
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Die Kombination aus einer Hohlwelle und einem Kühlkörper setzt eine präzise Fertigung voraus. Insbesondere bei stark strukturierten Bauteilen mit großer Oberfläche besteht die Gefahr, dass sich eine Unwucht durch den Kühlkörper ergibt, die nachträglich korrigiert werden muss. Die Fertigung ist vergleichsweise aufwendig.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Rotorwelle für einen Elektromotor dahingehend weiterzuentwickeln, dass bei hoher Kühlleistung auf einen kühlfluidfördernden Kühlkörper verzichtet werden kann.
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Diese Aufgabe ist bei einer Rotorwelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Rotorwelle ist in einer ersten Variante eine Hohlwelle, die mindestens eine sich in Längsrichtung der Rotorwelle erstreckende, wendelförmig verlaufende Rippe und/oder Vertiefung aufweist, um bei Rotation der Rotorwelle ein Kühlfluid in Längsrichtung der Rotorwelle zu befördern. Diese Ausführungsform einer Rotorwelle verzichtet gänzlich auf ein zusätzliches Kühlelement. Die Rippen und/oder Vertiefungen verlaufen wendelförmig. Durch die Wendelform wird das Kühlfluid in Axialrichtung gefördert, sodass eine externe Pumpe zum Transport des Kühlfluids entweder entfallen kann oder zumindest unterstützt wird. Bei der erfindungsgemäßen Rotorwelle bewirken die wendelförmig verlaufenden Rippen und/oder Vertiefungen eine Vergrößerung der Kühlfläche, eine axiale Förderbewegung des Kühlfluids ohne die Anzahl der zu montierenden Bauteile zu erhöhen. Es entfällt der Montageaufwand zwischen einer Hohlwelle und einem Kühlkörper. Das Gewicht der Rotorwelle ist insgesamt durch den Wegfall des Kühlkörpers geringer. Es müssen geringere Massen bewegt werden. Die Massenträgheit der Rotorwelle ist insgesamt geringer.
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In einer alternativen Ausgestaltung handelt es sich bei der Rotorwelle um eine Vollwelle. Sie besitzt mindestens eine sich in Längsrichtung der Rotorwelle erstreckende, wendelförmig verlaufende Rippe und/oder Vertiefung. Wie auch bei der Hohlwelle soll die mindestens eine wendelförmig verlaufende Rippe und/oder Vertiefung bei Rotation der Rotorwelle ein Kühlfluid in Längsrichtung der Rotorwelle befördern. Es ergeben sich bei der Vollwelle im Ergebnis dieselben Vorteile wie bei der Hohlwelle, nämlich dass die Montage verschiedener Bauteile, insbesondere eines zusätzlichen Kühlkörpers entfällt. Die außenseitigen Rippen und/oder Vertiefungen lassen sich vergleichsweise einfach herstellen und erfüllen nicht nur die Funktion, die Oberfläche für den Wärmeaustausch zu vergrößern, sondern auch die Funktion, gleichzeitig das Kühlfluid zu fördern. Das gewendelte Profil kann eingängig oder mehrgängig sein. Bei einem mehrgängigen Profil kann das Kühlfluid am Eintrittsende gleichzeitig in mehrere Vertiefungen bzw. zwischen mehrere Rippen fließen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besitzt die als Hohlwelle ausgestaltete Rotorwelle nicht nur innenseitig mindestens eine sich in Längsrichtung der Rotorwelle erstreckende, wendelförmig verlaufende Rippe und/oder Vertiefung, sondern auch außenseitig auf ihrer zylindrischen Mantelfläche. Die Hohlwelle schafft Strömungswege auf ihrer Innenseite und auch auf ihrer Außenseite in Bezug auf die Mantelfläche. Vorzugsweise sind die Rippen und/oder Vertiefungen innen und außen jeweils wendelförmig. Die Kontur der Rippen und/oder Vertiefungen kann innenseitig von der Außenseite abweichen. Beispielsweise können innenseitig Rippen und außenseitig Vertiefungen angeordnet sein. Je nach Auslegung des Elektromotors kann es auch ausreichend sein, lediglich auf einer der Mantelflächen einen wendelförmigen Verlauf der Rippen und/oder Vertiefungen zu realisieren, während auf der gegenüberliegenden Seite, d. h. innen oder außen die Rippen und/oder Vertiefungen parallel zur Längsrichtung verlaufen.
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Zur Vergrößerung der Wärmeübertragerfläche kann in der als Hohlwelle ausgestalteten Rotorwelle ein Kern angeordnet sein. Er kann sich in Längsrichtung von einem Eintrittsende der Rotorwelle bis zu einem Austrittsende der Rotorwelle erstrecken. Das Eintrittsende ist das Ende, an dem das Kühlfluid in die Hohlwelle eintritt. Das Kühlfluid tritt an dem Austrittsende wieder aus der Hohlwelle aus. Dabei überstreicht das Kühlfluid den Kern, sodass ein Wärmeübergang zwischen dem Kern und dem Kühlfluid erfolgt, um zusätzlich Wärme aus dem Elektromotor abzuführen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung besitzt die als Hohlwelle ausgestaltete Rotorwelle eine von Kühlfluid durchströmbare Querschnittsfläche, welche sich zu dem Austrittsende der Rotorwelle hin verkleinert. Hierdurch kann die Strömungsgeschwindigkeit zum Austrittsende hin vergrößert und das Kühlfluid beschleunigt werden, damit das erwärmte Kühlfluid den Bereich des Elektromotors möglichst schnell verlässt und die entsprechende Wärmemenge abführt. Insbesondere ist die Rotorwelle mit einem konisch gestalteten Übergangsbereich versehen, in welchem die durchströmbare Querschnittsfläche abnimmt. Der konisch gestaltete Übergangsbereich vermeidet Querschnittssprünge und Staueffekte in dem Fluidstrom des Kühlfluids.
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Die als Vollwelle ausgestaltete Hohlwelle muss nicht zwingend einen kreisrunden, zylindrischen Querschnitt haben sie kann auch einen unrunden, mehrkantigen Querschnitt besitzen.
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Die Rotorwelle ist insbesondere durch ein Rohrziehverfahren hergestellt, bei welchem ein geeigneter Dorn in dem zu ziehenden Rohr angeordnet wird, um die gewünschte Innenprofilierung herzustellen, die zu einer Oberflächenvergrößerung durch das Ausbilden von Stegen bzw. Vertiefungen und gleichzeitig zu einem wendelförmigen Verlauf der Innenprofilierung führt. Durch die Verwendung entsprechender Matrizen ist auch eine Außenprofilierung herstellbar. Die Erfindung schließt ein, dass die entsprechenden Profilierungen insbesondere im Außenbereich durch materialabhebende Bearbeitung hergestellt sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in rein schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:
- 1 eine erste Ausführungsform einer Rotorwelle einer Seitenansicht;
- 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A in 1;
- 3 die Rotorwelle der 1 in perspektivischer Darstellung;
- 4 eine weitere Ausführungsform einer Rotorwelle in einer Seitenansicht;
- 5 einen Schnitt entlang der Linie B-B gemäß 4;
- 6 eine perspektivische Darstellung der Schnittdarstellung der 5;
- 7 eine weitere Ausführungsform einer Rotorwelle in einer Seitenansicht;
- 8 die Rotorwelle der 7 im Längsschnitt entlang der Linie C-C und
- 9 die Schnittdarstellung der 8 in perspektivischer Darstellung.
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Das Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 zeigt eine erste Ausführungsform einer Rotorwelle 1. Die Rotorwelle 1 befindet sich in der Einbaulage innerhalb eines nicht dargestellten Rotors. Die Rotorwelle 1 ist eine Hohlwelle (2).
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Die Rotorwelle 1 besitzt außenseitig eine Reihe von wendelförmig um die Rotorwelle 1 herumlaufenden Vertiefungen 2. Die perspektivische Darstellung der 2 zeigt, dass die Wendelform mehrgängig ist. Es gibt mehrere identisch konfigurierte Vertiefungen 2 in der Außenseite 3. Die Vertiefungen 2 sind gleichmäßig über den Außenumfang verteilt angeordnet. Alle Vertiefungen verlaufen in parallelem Abstand zueinander. Aus der Schnittdarstellung der 2 wird deutlich, dass die Vertiefungen 2 im Querschnitt trapezförmig sind. Die Vertiefungen 2 verbreitern sich zur Außenseite 3 der Hohlwelle, d. h., dass die Vertiefungen im Bereich ihrer tiefsten Stellen etwas schmaler sind als an der Außenseite 3.
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Durch die besagten Vertiefungen 2 strömt im Betriebszustand ein Kühlfluid 4. Da sich der Rotor des Elektromotors dreht, wird das Kühlfluid 4 innerhalb der wendelförmigen Vertiefungen 2 zu einem Austrittsende gefördert, sodass das Kühlfluid 4 die Rotorwelle 1 im Bereich der Vertiefungen 2 kühlt.
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Die Bereiche zwischen zwei Vertiefungen 2 können als wendelförmig verlaufende Rippen 5 bezeichnet werden. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 ist der Bereich der Rippen 5 breiter als der Bereich der Vertiefungen. Das zeigt die Schnittdarstellung der 2. Die Rippen 5 tragen außenseitig den nicht näher dargestellten Rotor des Elektromotors.
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Die dargestellte Rotorwelle 1 kann auch innenseitig von dem Kühlfluid 4 gekühlt werden. Der Pfeil P1 (2 und 3) zeigt die Strömungsrichtung des Kühlfluid 4 in das Innere der Hohlwelle. Die Rotorwelle 1 ist innenseitig glatt. An den mit Vertiefungen 2 bzw. Rippen 5 versehenen mittleren Bereich der Rotorwelle 1 schließen sich endseitig Lagersitze 6, 7 und weitere im Durchmesser abgestufte Funktionsflächen an. Die Rotorwelle 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 wird daher zumindest teilweise, nämlich im Bereich der Vertiefungen 2 zwischen den Rippen 5 von dem Kühlfluid 4 gekühlt. Die Außenseiten 3 der Rippen 5 sind die im Durchmesser größten Bereiche. Sie stehen im Kontakt mit dem Rotor.
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Das Ausführungsbeispiel der 4 bis 6 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 dadurch, dass die dort dargestellte Rotorwelle 1 außenseitig glatt und innenseitig profiliert ist. Für im Wesentlichen gleiche Komponenten werden nachfolgend die bisher eingeführten Bezugszeichen weiterhin verwendet.
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Die Rotorwelle 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 4 bis 6 besitzt keine außenseitigen Vertiefungen bzw. Rippen 5, sondern innenseitige Vertiefungen 8 bzw. Rippen 9, wie es die 5 und 6 zeigen. Aus der Schnittdarstellung gemäß 6 ist zu erkennen, dass die Vertiefungen 8 ebenfalls mehrgängig angeordnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind sechs Vertiefungen 8 gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet.
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Zwischen den jeweiligen Vertiefungen 8 befinden sich Rippen 9. Die Schnittdarstellung der 5 zeigt, dass alle die Vertiefungen 8 denselben trapezförmigen Querschnitt haben. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist der innenseitige Flächenanteil der Vertiefungen 8 an einer Innenseite 10 der Rotorwelle 1 kleiner als der Flächenanteil der Rippen 9. Der Längsschnitt gemäß 5 zeigt, dass die Rippen 9 in dieser Schnittebene breiter sind als die Vertiefungen 8.
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Der wendelförmigen Verlauf der Vertiefungen 8 bzw. der Rippen 9 führt bei einer Drehung der Rotorwelle 1 zu einem Fluidtransport eines Kühlfluids 4, das in diesem Fall die Rotorwelle 1 nicht außenseitig umströmt, sondern die Rotorwelle 1 innenseitig durchströmt. Der Pfeil P2 verdeutlicht, dass das Kühlfluid 4 bei diesem Ausführungsbeispiel von der Bildebene links kommend in die Rotorwelle 1 eintritt. Die Strömungsrichtung wird durch die Drehrichtung der Rotorwelle 1 vorgegeben.
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Ein weiterer Unterschied gegenüber dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 ist, dass sich der wendelförmig gestaltete Bereich über die gesamte Länge der Rotorwelle 1 erstreckt. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 sind aufgrund der endseitigen Lagersitze 6, 7 außenseitigen Vertiefungen 2 bzw. Rippen 5 nicht auf der ganzen Länge der Rotorwelle 1 angeordnet. Zugleich sind die äußeren Rippen 5 aufgrund ihres Verlaufs an der Außenseite 3 länger als die Rippen 9 an der Innenseite 10. Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 bis 6 tragen allerdings auch die Rippen 5 selbst und nicht nur die Vertiefungen 9 dazu bei, die Rotorwelle zu kühlen, weil in diesem Fall auch die Rippen 9 mit ihren Innenseiten 10 in Kontakt mit dem Kühlfluid 4 stehen.
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Das Ausführungsbeispiel der 7 bis 9 ist eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels der 4 bis 6. Auf die bislang eingeführten Bezugszeichen wird weiterhin zurückgegriffen.
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Der Unterschied gegenüber dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel ist anhand der Schnittdarstellung der 8 und 9 zu erkennen. Äußerlich ist die Rotorwelle 1 gemäß 7 identisch zu der Rotorwelle 1 gemäß 4. Die 8 zeigt, dass innerhalb der Rotorwelle 1 dieselbe Konturierung vorgesehen ist wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel. Es gibt auch hier die wendelförmigen verlaufenden Vertiefungen 8 und Rippen 9, die im Kontakt mit einem Kühlfluid 4 stehen, das in der Bildebene links durch den Pfeil P2 angedeutet ist und an diesem Eintrittsende 13 in die als Hohlwelle ausgestaltete Rotorwelle 1 einströmen soll. Am gegenüberliegenden Austrittsende 14 soll das Kühlfluid 4 wieder austreten.
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Die 8 zeigt, dass in dem mit Rippen 9 und Vertiefungen 8 versehenen Längskanal 11 ein Kern 12 angeordnet ist. Der Kern 12 besitzt einen kreisrunden Querschnitt. Seine Außenfläche ist glatt. Sein Außendurchmesser nimmt von dem Eintrittsende 13 für das Kühlfluid 4 zu dem Austrittsende 14 für das Kühlfluid 4 ab. Dadurch ändert sich die durchströmbare Querschnittsfläche. Sie nimmt zum Austrittsende 14 hin ab. Der Ringspalt zwischen dem Einsatz 13 und den Innenseiten 10 wird schmaler, sodass die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids 4 am Austrittsende 14 höher ist als am Eintrittsende 13. Dadurch kann das Kühlfluid 4 stark beschleunigt werden und die Pumpwirkung der Rotorwelle 1 erhöht werden.
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Der Kern 12 kann ferner dazu genutzt werden, Wärme auf das Kühlfluid 4 zu übertragen bzw. Wärme aus der Rotorwelle 1 abzuleiten. Hierzu kann der Kern 12 in nicht näher dargestellter Weise thermisch leitend mit der Rotorwelle 1 in Verbindung stehen.
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Die Rotorwellen 1 der Ausführungsbeispiele in den 1 bis 9 wurde insbesondere durch ein Rohrziehverfahren hergestellt. Durch anschließende äußere spannabhebende Bearbeitungen können zusätzliche Funktionsflächen ausgebildet werden. Die Rotorwelle 1 kann in den Rotor eingepresst sein. Die an der Rotorwelle 6, 7 ausgebildeten Lagersitze sind bei diesen Ausführungsbeispiel materialeinheitlich einstückiger Bestandteil der Rotorwelle 1. Die Rotorwelle 1 ist kostengünstig herstellbar und bewirkt eine intensive Wärmeabfuhr aus dem Rotor des Elektromotors bzw. hat eine hohe Pumpleistung, um das Kühlfluid 4 in die gewünschte Richtung zu fördern.
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Bezugszeichenliste
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- 1 -
- Rotorwelle
- 2 -
- Vertiefung
- 3 -
- Außenseite
- 4 -
- Kühlfluid
- 5 -
- Rippe
- 6 -
- Lagersitze
- 7 -
- Lagersitze
- 8 -
- Vertiefungen
- 9 -
- Rippe
- 10 -
- Innenseite von 1
- 11 -
- Längskanal
- 12 -
- Kern
- 13 -
- Eintrittsende
- 14 -
- Austrittsende
- P1 -
- Pfeil
- P2 -
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016202416 A1 [0003]
