DE102018130557A1 - Rotor shaft for a rotor of an electric motor - Google Patents
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Abstract
Rotorwelle für einen Rotor eines Elektromotors, wobei die Rotorwelle 1 entweder eine Hohlwelle ist, die mindestens eine sich in Längsrichtung der Rotorwelle 1 erstreckende, wendelförmig verlaufende Rippe 5 und/oder Vertiefung 6 aufweist, um bei Rotation der Rotorwelle 1 ein Kühlfluid in Längsrichtung der Rotorwelle 1 zu befördern, oder eine Vollwelle ist, die mindestens eine sich in Längsrichtung der Rotorwelle 1 erstreckende, wendelförmig verlaufende Rippe und/oder Vertiefung aufweist, um bei Rotation der Rotorwelle 1 ein Kühlfluid in Längsrichtung der Rotorwelle 1 zu befördern.Rotor shaft for a rotor of an electric motor, wherein the rotor shaft 1 is either a hollow shaft which has at least one helically extending rib 5 and / or recess 6 extending in the longitudinal direction of the rotor shaft 1, and a cooling fluid in the longitudinal direction of the rotor shaft when the rotor shaft 1 rotates 1 or a solid shaft, which has at least one helically extending rib and / or depression extending in the longitudinal direction of the rotor shaft 1, in order to convey a cooling fluid in the longitudinal direction of the rotor shaft 1 when the rotor shaft 1 rotates.
Description
Die Erfindung betrifft eine Rotorwelle für einen Elektromotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The invention relates to a rotor shaft for an electric motor with the features of
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.Rotor shafts for electric motors can be designed as hollow shafts or solid shafts. The heat generated during the operation of the electric motor must be dissipated in order to reduce the thermal loads on the components of the electric motor. Passive cooling takes place via thermally conductive contact with other structural parts, such as the shaft bearing of the electric motor. Active cooling using air or liquid is also possible. Rotor shafts can be cooled as a fluid-carrying hollow shaft from the inside with a coolant.
In der
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.The combination of a hollow shaft and a heat sink requires precise manufacturing. Particularly in the case of highly structured components with a large surface area, there is a risk that the heat sink will cause an imbalance, which must be corrected subsequently. The production is comparatively complex.
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.Proceeding from this, the object of the invention is to further develop a rotor shaft for an electric motor in such a way that, with high cooling power, a cooling fluid-promoting cooling body can be dispensed with.
Diese Aufgabe ist bei einer Rotorwelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved in a rotor shaft with the features of
Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.The subclaims relate to advantageous developments of the invention.
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.In a first variant, the rotor shaft is a hollow shaft which has at least one helically extending rib and / or depression which extends in the longitudinal direction of the rotor shaft in order to convey a cooling fluid in the longitudinal direction of the rotor shaft when the rotor shaft rotates. This embodiment of a rotor shaft completely dispenses with an additional cooling element. The ribs and / or depressions run helically. The helical shape of the cooling fluid is conveyed in the axial direction, so that an external pump for transporting the cooling fluid can either be omitted or at least supported. In the rotor shaft according to the invention, the helically running ribs and / or depressions cause the cooling surface to be enlarged and the cooling fluid to be conveyed axially without increasing the number of components to be assembled. There is no need for assembly between a hollow shaft and a heat sink. The weight of the rotor shaft is lower due to the omission of the heat sink. Smaller masses have to be moved. The inertia of the rotor shaft is lower overall.
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.In an alternative embodiment, the rotor shaft is a solid shaft. It has at least one helically extending rib and / or depression extending in the longitudinal direction of the rotor shaft. As with the hollow shaft, the at least one helically running rib and / or depression should convey a cooling fluid in the longitudinal direction of the rotor shaft when the rotor shaft rotates. The result of the full shaft as a result of the same advantages as that of the hollow shaft, namely that there is no need to install different components, in particular an additional heat sink. The outside ribs and / or depressions can be produced comparatively easily and not only fulfill the function of increasing the surface for the heat exchange, but also the function of simultaneously conveying the cooling fluid. The spiral profile can be catchy or multi-course. In the case of a multi-course profile, the cooling fluid can flow simultaneously into several depressions or between several ribs at the inlet end.
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.In an advantageous embodiment of the invention, the rotor shaft designed as a hollow shaft not only has on the inside at least one helically extending rib and / or depression extending in the longitudinal direction of the rotor shaft, but also on the outside on its cylindrical outer surface. The hollow shaft creates flow paths on its inside and also on its outside in relation to the outer surface. The ribs and / or depressions are preferably helical on the inside and outside. The contour of the ribs and / or depressions can deviate from the inside on the inside. For example, ribs can be arranged on the inside and depressions can be arranged on the outside. Depending on the design of the electric motor, it may also be sufficient to implement a helical course of the ribs and / or depressions only on one of the lateral surfaces, while on the opposite side, ie inside or outside Ribs and / or depressions run parallel to the longitudinal direction.
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.A core can be arranged in the rotor shaft designed as a hollow shaft in order to enlarge the heat exchanger surface. It can extend in the longitudinal direction from an inlet end of the rotor shaft to an outlet end of the rotor shaft. The entry end is the end at which the cooling fluid enters the hollow shaft. The cooling fluid exits the hollow shaft at the outlet end. The cooling fluid sweeps over the core so that heat is transferred between the core and the cooling fluid in order to additionally remove heat from the electric motor.
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.In a development of the invention, the rotor shaft designed as a hollow shaft has a cross-sectional area through which cooling fluid can flow, which decreases in size towards the outlet end of the rotor shaft. As a result, the flow velocity can be increased towards the outlet end and the cooling fluid can be accelerated so that the heated cooling fluid leaves the area of the electric motor as quickly as possible and dissipates the corresponding amount of heat. In particular, the rotor shaft is provided with a conically shaped transition area, in which the cross-sectional area through which flow can decrease. The conical transition area avoids cross-sectional jumps and jamming effects in the fluid flow of the cooling fluid.
Die als Vollwelle ausgestaltete Hohlwelle muss nicht zwingend einen kreisrunden, zylindrischen Querschnitt haben sie kann auch einen unrunden, mehrkantigen Querschnitt besitzen.The hollow shaft designed as a solid shaft does not necessarily have to have a circular, cylindrical cross section; it can also have a non-round, polygonal cross section.
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.The rotor shaft is produced in particular by a tube drawing process in which a suitable mandrel is arranged in the tube to be drawn in order to produce the desired internal profile, which leads to an increase in surface area by the formation of webs or depressions and at the same time to a helical profile of the internal profile. An external profile can also be produced by using appropriate matrices. The invention includes that the corresponding profiles are produced in particular in the outside area by machining.
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 LinieA-A in1 ; -
3 die Rotorwelle der1 in perspektivischer Darstellung; -
4 eine weitere Ausführungsform einer Rotorwelle in einer Seitenansicht; -
5 einen Schnitt entlang der LinieB-B gemäß4 ; -
6 eine perspektivische Darstellung der Schnittdarstellung der5 ; -
7 eine weitere Ausführungsform einer Rotorwelle in einer Seitenansicht; -
8 die Rotorwelle der7 im Längsschnitt entlang der LinieC-C und -
9 die Schnittdarstellung der8 in perspektivischer Darstellung.
-
1 a first embodiment of a rotor shaft a side view; -
2nd a cut along the lineAA in1 ; -
3rd the rotor shaft of the1 in perspective; -
4th a further embodiment of a rotor shaft in a side view; -
5 a cut along the lineBB according to4th ; -
6 a perspective view of the sectional view of the5 ; -
7 a further embodiment of a rotor shaft in a side view; -
8th the rotor shaft of the7 in longitudinal section along the lineCC and -
9 the sectional view of the8th in perspective.
Das Ausführungsbeispiel der
Die Rotorwelle
Durch die besagten Vertiefungen
Die Bereiche zwischen zwei Vertiefungen
Die dargestellte Rotorwelle
Das Ausführungsbeispiel der
Die Rotorwelle
Zwischen den jeweiligen Vertiefungen
Der wendelförmigen Verlauf der Vertiefungen
Ein weiterer Unterschied gegenüber dem Ausführungsbeispiel der
Das Ausführungsbeispiel der
Der Unterschied gegenüber dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel ist anhand der Schnittdarstellung der
Die
Der Kern
Die Rotorwellen
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 1 -1 -
- RotorwelleRotor shaft
- 2 -2 -
- Vertiefungdeepening
- 3 -3 -
- AußenseiteOutside
- 4 -4 -
- KühlfluidCooling fluid
- 5 -5 -
- Ripperib
- 6 -6 -
- LagersitzeBearing seats
- 7 -7 -
- LagersitzeBearing seats
- 8 -8th -
- VertiefungenIndentations
- 9 -9 -
- Ripperib
- 10 -10 -
-
Innenseite von
1 Inside of1 - 11 -11 -
- LängskanalLongitudinal channel
- 12 -12 -
- Kerncore
- 13 -13 -
- EintrittsendeEnd of entry
- 14 -14 -
- Austrittsende Exit end
- P1 -P1 -
- Pfeilarrow
- P2 -P2 -
- Pfeilarrow
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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